超新星爆炸
當一顆恆星走到生命周期的盡頭發生爆炸時，就會像畫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）在拋灑的過程中所產生的細微結構，在很長一段時間內都困擾著天文學家。更麻煩的是，在銀河系中，一個世紀內僅出現一兩次超新星事件，發生前通常也沒有什麼徵兆。因此，要想研究超新星爆炸的最初時刻，是一件十分困難的事。研究人員希望通過模型模擬這個過程，但是由於算力限制，他們還得事先提供相關細節的假設。
美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的研究人員希望使用一種新型實驗改變現狀。這個實驗試圖發現超新星事件中氣體潛在的混合方式，以此確認並進一步幫助修訂先前的假設。他們使用了一種楔形設備（有時也被他們稱作「超新星披薩片」），設備頂部約1.2米寬，厚度相當於常見的雙開門，內部裝有兩種分離的惰性氣體。這樣的形狀有助於重建在宇宙空間中，一個圓柱體或是球體的切面表現出的動力學過程。團隊在楔形頂點處引爆商用雷管，模擬超新星的中心，爆炸產生的衝擊波則會使兩種氣體混合。與此同時，一臺高速相機會以0.1毫秒的間隔拍下整個過程，以此模擬超新星爆炸後一小時內的過程。在今年6月的《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal）上，科學家詳細描述了這項實驗。
研究團隊將視線對準兩種氣體相遇的界面，觀察到了爆炸產生的衝擊波如何將界面上微小的擾動放大，形成飛速增大的蘑菇雲狀擾動。當氣體發生捲曲後，就會產生湍流，最終分別形成低密度的氣泡和高密度的尖峰。如果氣體尖峰移動速度足夠大，還會折斷，當然它也會像加速的子彈一樣，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，來自核心的重元素的表現卻與氣體尖峰相似。加利福尼亞州帕薩迪納市卡內基天文臺的超新星理論學家安東尼·皮羅（Anthony Piro，並未參與這項研究）表示：「目前我們並不清楚，重元素的行為是由爆炸固有的不對稱性引發的，還是由湍流引發的。」
雖然新研究已經表明了湍流能造成多麼強烈的影響，但是科學家仍需進一步確認這項模型的局限性。
皮羅介紹說，為了免除長達數周的額外計算時間，大部分超新星模型都包含一些基本假設，設定好了模型在較小尺度下的條件。這項全新的研究則可以評估過去的假設。美國密西根大學的物理學家卡洛琳·庫蘭茲（Carolyn Kuranz，並未參與這項研究）表示：「如今科學家已經能在不同級別的小尺度上，觀察微觀結構的演化過程。」這項實驗創建出的結構也類似於庫蘭茲在研究等離子體混合時觀察到的現象。她說：「理論曾預測這兩者應該是類似的，現在的實驗也證明了它們的相似性。」
氣體混合現象
皮羅認為，這項實驗能為關於超新星的「大量物理學問題提供驚人的證據」。他說，這不僅有助於校準自己正在研究的模型，還能讓其他科學家更好地理解相關的觀測結果。
科學家構建超新星模型的過程一直受到重重挑戰。地球上的重力遠小於一顆瀕死的恆星，而小小的商用炸藥產生的能量也與恆星爆炸相去甚遠。但是「即便爆炸事件被弱化了，我們需要應對的其他問題也同樣被弱化了，因此比例應該是一致的。」喬治亞理工學院的研究生班傑明·穆西（Benjamin Musci）表示，他正是這篇論文的第一作者。
穆西還說，防止氣體在實驗器具的邊緣發生反彈，是一場「漫長而艱難的戰鬥」，因為宇宙中很顯然不存在這種情況。他們幾乎花了一年時間才找到解決方案，而這種方案竟然出乎意料地簡單：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。「填充的泡沫經常會被爆炸的衝擊波吹成碎片，拖延我們的實驗進度。」但他也表示，「如果不用泡沫填充，整個物理過程就會發生改變。」
另一個令科學家擔心的問題在於模擬的維度。皮羅指出，氣體在二維空間的擴散行為與在三維空間不同，三維空間中會產生更大的渦流，因此需要更長的時間拆解其中的結構變化。這也是研究人員在未來工作中可能需要解決的問題。
喬治亞理工學院的天體物理學家德韋什·蘭詹（Devesh Ranjan，這項研究的主要負責人）介紹說，此前的超新星實驗都是在更大尺度上進行的。比如，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）就將數十道雷射瞄準到一枚鉛筆橡皮擦大小的材料上，使其升華誘發爆炸。蘭詹表示，規模越大的實驗能獲取的圖像越少，只能瞥見結構生成的一瞬間。「超新星披薩」則能在氣體混合的幾秒鐘截取200張圖像。蘭詹說：「我們的實驗能提供整個過程的動態視圖。結合兩種尺度的實驗，應當能讓我們看到一些共通之處，知道真實的超新星事件中發生了什麼。」
在此之前，從未有過同類型的實驗。皮羅對此並不感到驚訝：「必須是掌握各種不同實驗技術的專家才能整合併完成這項實驗。這個團隊在實驗室中解決問題時表現出的創造性實在令人鼓舞，這一點是不容低估的。」
將這項研究與超新星演化的模型相結合，再加入針對超新星不同層面的研究，或許有助於研究人員弄清一些在真實的超新星爆發時無法觀察到的細節。庫蘭茲評價說：「如果以找到通用模型為總體目標，那麼利用這些實驗，尤其是在不同尺度和不同條件下的實驗，就能推動實現目標。」
撰文：諾拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）
翻譯：董子晨曦
文章來源：環球科學