超新星爆發背後的神秘物質
2021年01月25日08:51
混亂物質圍繞一顆坍縮恒星的中心旋轉。藍色部分表示超新星的衝擊波,衝擊波在渦流作用下獲得額外推力,而中央的高密度核心將繼續形成一顆中子星。
混亂物質圍繞一顆坍縮恒星的中心旋轉。藍色部分表示超新星的衝擊波,衝擊波在渦流作用下獲得額外推力,而中央的高密度核心將繼續形成一顆中子星。

  新浪科技訊 北京時間1月25日消息,據國外媒體報導,1987年,一顆巨大的恒星在我們的銀河系附近爆炸。自從大約四個世紀之間,人類發明望遠鏡以來,這是最明亮、也是距離地球最近的一次超新星爆發,幾乎所有的天文台都把目光聚焦於這次的超新星爆發。也許最令人興奮的是,一些建造在地底深處的特殊探測器還捕獲到從這次爆發中放射出的神秘亞原子:中微子。

  1966年,科學家第一次提出,這些神秘粒子可能是超新星爆發的背後動力。中微子的發現,讓多年來一直試圖瞭解超新星爆發內部原理的理論科學家感到欣慰。然而,幾十年來,天體物理學家卻不斷地遭遇一個困境,他們的中微子超新星爆發模型似乎存在致命缺陷。

  中微子是出了名的孤傲粒子。在坍縮恒星的極端條件下,中微子究竟是如何將它們的能量轉移給恒星的普通物質的,這些問題仍未得到解答。每當理論科學家嚐試在計算機模擬中對這些複雜的粒子運動和相互作用進行建模時,超新星的衝擊波總不可避免地停止然後回撤。密歇根州立大學的計算天體物理學家塞恩·庫奇說,一次次地失敗“讓我們漸漸開始相信,我們現有的主流超新星爆發理論可能行不通”。

  當然,超新星爆發的內部深處到底發生了些什麼,一直以來都無人知曉。它好似一口容納各種極端的大鍋,又好似一碗充斥著嬗變物質的洶湧熱湯;在這裏,我們平日裡經常忽略的粒子和作用力變得至關重要。令問題更為複雜的是,爆發內部很大程度上被籠罩在熱氣雲之後,難以看見。普林斯頓大學的天體物理學家亞當·伯羅斯研究超新星已有35年以上。他說,瞭解超新星爆發的細節“一直是天體物理學中尚未解決的核心難題”。

  但是,最近幾年,理論科學家已經能夠鎖定導致超新星爆發的異常複雜的機製。伯羅斯在本月的《自然》雜誌上寫道,超新星爆發模擬已經成為常態,而非例外。多個競爭研究小組的計算機代碼現在也逐漸就超新星爆發衝擊波的演化達成共識。與此同時,模擬技術到目前為止已經取得了長足進步,甚至可以將愛因斯坦那極其複雜的廣義相對論帶來的影響也納入其中。至此,人們終於得以撥開迷霧,嚐試瞭解中微子在超新星爆發中所起的作用。

  庫奇說:“這是一個分水嶺。”他們發現,沒有混亂,正在坍縮的恒星或許永遠無法變成超新星。

  混沌之舞

  在恒星一生的大部分時間里,恒星內部核反應所產生的輻射帶來的向外推力與恒星的內向引力保持著微妙地平衡。等恒星的燃料耗盡時,內向引力開始占上風。恒星的核心自身開始坍塌(以每小時15萬公里的速度驟然坍縮),導致溫度激增至1000億攝氏度,並將核心融合成一個固態中子球。

  恒星的外層會繼續向內坍縮,但是當外層撞擊到這個不可壓縮的中子核時,外層將被彈回,產生衝擊波。衝擊波若要變為爆炸,必須得有足夠的能量向外推動衝擊波,幫助其逃離恒星的引力。與此同時,恒星最外層仍在向內坍縮。因此,衝擊波還必須衝破這最外層的內向漩渦。

  一直以來,科學家對推動衝擊波的作用力的理解一直僅限於最模糊的術語。過去幾十年,我們的計算機還不夠強大,只能運行坍塌核心的簡化模型。恒星一直被視為完美的球體,衝擊波從中心向每個方向以相同的方式擴散出去。但是,在一維模型下,當衝擊波向外移動時,它最終會放緩速度,然後漸漸減弱。

  直到最近幾年,隨著超級計算機的發展,理論科學家才擁有足夠的計算能力,可以對大質量恒星以及實現超新星爆發所必需的複雜條件進行建模。眼下最好的模型整合了諸多細節,比如中微子與物質在微觀層面的相互作用、流體的無序運動以及物理學多個不同領域(從核物理到恒星演化等等)的最新進展。另外,理論科學家現在每年可以運行多個模擬,他們可以自由地調整模型,並嚐試不同的初始條件。

  2015年,庫奇和他的合作者迎來了轉折點。當時,他們正在運行一個三維計算機模型。該模型模擬了一顆大質量恒星在坍縮最後幾分鐘時的情形。雖然該模擬僅描繪了恒星生命的160秒光景,但它揭示了一種之前未被重視的物質在這個過程中發揮的作用。這種物質讓停滯的衝擊波變成了真正的爆炸。

  隱藏在野獸腹中的粒子雜亂無章地運動著,一片混沌。庫奇說:“好似爐子裡燒開的水。恒星內部也有這樣的劇烈翻滾,每秒速度可達幾千公里。”

  這種混亂創造了衝擊波背後的額外壓力,推動衝擊波進一步遠離恒星核心。距離恒星核心越遠,內向引力便越弱,阻礙衝擊波的向內坍縮物質也越少。衝擊波背後的混亂物質也有更多時間吸收中微子。中微子產生的能量又可以加熱混亂物質,繼續把衝擊波變為爆炸。

  多年以來,研究人員一直未能意識到混亂物質的重要性,因為只有三維模型才能揭示其全部的影響。伯羅斯說:“大自然不費吹灰之力就可以做到的事情,我們卻需要幾十年的時間,從一維到二維再到三維,才能實現。”

核心坍縮後的前半秒,混亂物質圍繞在超新星核心的周圍。在這個模擬中,物質根據熵(一個混亂程度的度量)進行著色。(顏色越深如紅色表示熵值更高。)由於混亂物質的存在,爆炸是不對稱的。
核心坍縮後的前半秒,混亂物質圍繞在超新星核心的周圍。在這個模擬中,物質根據熵(一個混亂程度的度量)進行著色。(顏色越深如紅色表示熵值更高。)由於混亂物質的存在,爆炸是不對稱的。

  這些模擬還表明,混亂也會導致爆炸的不對稱,使得恒星看上去有點像沙漏。隨著爆炸向一個方向散開,物質繼續沿著另一個方向朝著核心坍縮,進一步為恒星爆發補充能量。

  這些新的模擬讓研究人員得以更好地瞭解,超新星是如何塑造了我們今日所見的宇宙。伯羅斯說:“我們可以獲得正確的爆炸能量範圍,我們也可以得出恒星爆發後留下的中子星質量。”超新星爆發創造了宇宙中大部分的重元素,如氧和鐵等。理論科學家目前也開始使用模擬,來精確預測這些重元素有多少。俄亥俄州立大學的理論和計算天體物理學家塔格爾多·薩克伯德說:“現在,我們正著手解決在過去都無法想像的問題。”

  下一次爆炸

  儘管計算能力呈指數級增長,但超新星爆發模擬仍比太空中觀測到的要少很多。哈佛大學的天文學家艾鐸·伯格說:“二十年前,我們每年大約可以發現100個超新星爆發。現在,我們每年可以發現1萬或2萬個。”因為我們現在擁有新的望遠鏡,可以快速、重複地掃瞄整個夜空。相比之下,我們的理論科學家每年只能進行大約30次的計算機模擬。一個耗費數月的模擬,最終也僅能重現幾分鐘的恒星坍縮。庫奇說:“你每天都去查看模型,然後發現只前進了一毫秒。”

  新模擬的廣泛準確性讓天體物理學家對下一次近距離的超新星爆發感到十分興奮。哥本哈根大學的理論天體物理學家艾琳·坦博拉說:“在等待銀河系的下一個超新星爆發的同時,我們還有很多工作要做。我們需要改進理論建模,來瞭解我們可以檢測到哪些特徵。這是一個難得的機會,你不能錯過。”

  大多數超新星爆發因為距離地球太遠,以至於探測器無法探測到其中的中微子。而銀河系附近的超新星爆發,比如1987A超新星爆發,平均每半個世紀才發生一次。

  但是,如果這樣的超新星爆發真的出現了,伯格說,天文學家將可以通過觀察其引力波,“直接窺探爆發內部的情形”。他說:“不同的研究小組側重不同的過程,這些過程對恒星的實際爆炸都非常重要。另外,這些不同的過程也具有不同的引力波和中微子特徵。”

  儘管理論科學家在超新星爆發形成的一些最重要因素上已經達成廣泛共識,但挑戰依舊存在。薩克伯德說,特別是,爆炸的結果“強烈取決”於恒星坍塌之前的核心結構。混亂的坍塌會將微小地差異放大,導致各種各樣的結果。因此,理論科學家也必須對恒星坍塌之前的演化做準確的建模。

  其他的問題還包括強磁場在恒星核心旋轉過程中發揮的作用。伯羅斯說:“很有可能,你會看到磁場和中微子的混合機製。中微子從一種類型變成另一種類型的方式,以及這種變化如何影響超新星爆發等,這些問題都有待解決。”

  坦博拉說:“我們的模擬中仍然需要加入許多因素。如果明天就會上演一場超新星爆發,並且它也符合我們的理論預測,那麼這或許可以說明,我們當前沒有考慮到的因素可以被安全地忽略。但如果不是這樣的情況,我們就需要弄清楚原因。”(勻琳)

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