超新星爆炸

當(dāng)一顆恒星走到生命周期的盡頭發(fā)生爆炸時(shí)，就會(huì)像畫(huà)筆一般把原本熔鑄在自身核心的元素拋灑向廣闊的宇宙空間。超新星的遺骸（包括氣體與塵埃）在拋灑的過(guò)程中所產(chǎn)生的細(xì)微結(jié)構(gòu)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都困擾著天文學(xué)家。更麻煩的是，在銀河系中，一個(gè)世紀(jì)內(nèi)僅出現(xiàn)一兩次超新星事件，發(fā)生前通常也沒(méi)有什么征兆。因此，要想研究超新星爆炸的最初時(shí)刻，是一件十分困難的事。研究人員希望通過(guò)模型模擬這個(gè)過(guò)程，但是由于算力限制，他們還得事先提供相關(guān)細(xì)節(jié)的假設(shè)。

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員希望使用一種新型實(shí)驗(yàn)改變現(xiàn)狀。這個(gè)實(shí)驗(yàn)試圖發(fā)現(xiàn)超新星事件中氣體潛在的混合方式，以此確認(rèn)并進(jìn)一步幫助修訂先前的假設(shè)。他們使用了一種楔形設(shè)備（有時(shí)也被他們稱作“超新星披薩片”），設(shè)備頂部約1.2米寬，厚度相當(dāng)于常見(jiàn)的雙開(kāi)門(mén)，內(nèi)部裝有兩種分離的惰性氣體。這樣的形狀有助于重建在宇宙空間中，一個(gè)圓柱體或是球體的切面表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。團(tuán)隊(duì)在楔形頂點(diǎn)處引爆商用雷管，模擬超新星的中心，爆炸產(chǎn)生的沖擊波則會(huì)使兩種氣體混合。與此同時(shí)，一臺(tái)高速相機(jī)會(huì)以0.1毫秒的間隔拍下整個(gè)過(guò)程，以此模擬超新星爆炸后一小時(shí)內(nèi)的過(guò)程。在今年6月的《天體物理學(xué)雜志》（Astrophysical Journal）上，科學(xué)家詳細(xì)描述了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

研究團(tuán)隊(duì)將視線對(duì)準(zhǔn)兩種氣體相遇的界面，觀察到了爆炸產(chǎn)生的沖擊波如何將界面上微小的擾動(dòng)放大，形成飛速增大的蘑菇云狀擾動(dòng)。當(dāng)氣體發(fā)生卷曲后，就會(huì)產(chǎn)生湍流，最終分別形成低密度的氣泡和高密度的尖峰。如果氣體尖峰移動(dòng)速度足夠大，還會(huì)折斷，當(dāng)然它也會(huì)像加速的子彈一樣，穿透好幾層氣體。

模擬超新星爆炸

令研究人員感到困惑的是，超新星爆炸時(shí)，來(lái)自核心的重元素的表現(xiàn)卻與氣體尖峰相似。加利福尼亞州帕薩迪納市卡內(nèi)基天文臺(tái)的超新星理論學(xué)家安東尼·皮羅（Anthony Piro，并未參與這項(xiàng)研究）表示：“目前我們并不清楚，重元素的行為是由爆炸固有的不對(duì)稱性引發(fā)的，還是由湍流引發(fā)的。”

雖然新研究已經(jīng)表明了湍流能造成多么強(qiáng)烈的影響，但是科學(xué)家仍需進(jìn)一步確認(rèn)這項(xiàng)模型的局限性。

皮羅介紹說(shuō)，為了免除長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的額外計(jì)算時(shí)間，大部分超新星模型都包含一些基本假設(shè)，設(shè)定好了模型在較小尺度下的條件。這項(xiàng)全新的研究則可以評(píng)估過(guò)去的假設(shè)。美國(guó)密歇根大學(xué)的物理學(xué)家卡洛琳·庫(kù)蘭茲（Carolyn Kuranz，并未參與這項(xiàng)研究）表示：“如今科學(xué)家已經(jīng)能在不同級(jí)別的小尺度上，觀察微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程?！边@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建出的結(jié)構(gòu)也類似于庫(kù)蘭茲在研究等離子體混合時(shí)觀察到的現(xiàn)象。她說(shuō)：“理論曾預(yù)測(cè)這兩者應(yīng)該是類似的，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)也證明了它們的相似性?！?/p>

氣體混合現(xiàn)象

皮羅認(rèn)為，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)転殛P(guān)于超新星的“大量物理學(xué)問(wèn)題提供驚人的證據(jù)”。他說(shuō)，這不僅有助于校準(zhǔn)自己正在研究的模型，還能讓其他科學(xué)家更好地理解相關(guān)的觀測(cè)結(jié)果。

科學(xué)家構(gòu)建超新星模型的過(guò)程一直受到重重挑戰(zhàn)。地球上的重力遠(yuǎn)小于一顆瀕死的恒星，而小小的商用炸藥產(chǎn)生的能量也與恒星爆炸相去甚遠(yuǎn)。但是“即便爆炸事件被弱化了，我們需要應(yīng)對(duì)的其他問(wèn)題也同樣被弱化了，因此比例應(yīng)該是一致的。”佐治亞理工學(xué)院的研究生本杰明·穆西（Benjamin Musci）表示，他正是這篇論文的第一作者。

穆西還說(shuō)，防止氣體在實(shí)驗(yàn)器具的邊緣發(fā)生反彈，是一場(chǎng)“漫長(zhǎng)而艱難的戰(zhàn)斗”，因?yàn)橛钪嬷泻茱@然不存在這種情況。他們幾乎花了一年時(shí)間才找到解決方案，而這種方案竟然出乎意料地簡(jiǎn)單：在邊壁上砌滿用在電腦包裝中的填充泡沫。這種材料能吸收氣體，從而阻止氣體反射?！疤畛涞呐菽?jīng)常會(huì)被爆炸的沖擊波吹成碎片，拖延我們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。”但他也表示，“如果不用泡沫填充，整個(gè)物理過(guò)程就會(huì)發(fā)生改變。”

另一個(gè)令科學(xué)家擔(dān)心的問(wèn)題在于模擬的維度。皮羅指出，氣體在二維空間的擴(kuò)散行為與在三維空間不同，三維空間中會(huì)產(chǎn)生更大的渦流，因此需要更長(zhǎng)的時(shí)間拆解其中的結(jié)構(gòu)變化。這也是研究人員在未來(lái)工作中可能需要解決的問(wèn)題。

佐治亞理工學(xué)院的天體物理學(xué)家德韋什·蘭詹（Devesh Ranjan，這項(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人）介紹說(shuō)，此前的超新星實(shí)驗(yàn)都是在更大尺度上進(jìn)行的。比如，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）就將數(shù)十道激光瞄準(zhǔn)到一枚鉛筆橡皮擦大小的材料上，使其升華誘發(fā)爆炸。蘭詹表示，規(guī)模越大的實(shí)驗(yàn)?zāi)塬@取的圖像越少，只能瞥見(jiàn)結(jié)構(gòu)生成的一瞬間?！俺滦桥_”則能在氣體混合的幾秒鐘截取200張圖像。蘭詹說(shuō)：“我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┱麄€(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)視圖。結(jié)合兩種尺度的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)能讓我們看到一些共通之處，知道真實(shí)的超新星事件中發(fā)生了什么?！?/p>

在此之前，從未有過(guò)同類型的實(shí)驗(yàn)。皮羅對(duì)此并不感到驚訝：“必須是掌握各種不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的專家才能整合并完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中解決問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出的創(chuàng)造性實(shí)在令人鼓舞，這一點(diǎn)是不容低估的?！?/p>

將這項(xiàng)研究與超新星演化的模型相結(jié)合，再加入針對(duì)超新星不同層面的研究，或許有助于研究人員弄清一些在真實(shí)的超新星爆發(fā)時(shí)無(wú)法觀察到的細(xì)節(jié)。庫(kù)蘭茲評(píng)價(jià)說(shuō)：“如果以找到通用模型為總體目標(biāo)，那么利用這些實(shí)驗(yàn)，尤其是在不同尺度和不同條件下的實(shí)驗(yàn)，就能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?！?/p>

撰文：諾拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）

翻譯：董子晨曦

文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)


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