全球首次：終於實現「超超新星」三維模擬，比超新星還亮100倍！

2020-10-18 博科園

在20世紀的大部分時間裡，天文學家們一直在天空中搜尋超新星及其超新星遺蹟（超新星是大質量恆星的爆炸性死亡），以尋找關於恆星前身、導致其爆炸的機制以及在此過程中產生重元素的線索。事實上，這些超新星事件創造了宇宙中大多數宇宙元素，這些元素繼續形成新的恆星、星系和生命。因為沒有人能真正近距離看到超新星，研究人員依靠超級計算機模擬，能夠深入了解引發和驅動超新星爆炸的物理機制。

現在，有史以來第一次，一個國際天體物理學家團隊模擬了超超新星的三維(3-D)物理，其亮度大約是典型超新星的100倍。使用勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的Castro代碼和國家能源研究科學計算中心(NERSC)超級計算機實現了這一裡程碑，其研究成果發表在《天體物理學》期刊上。天文學家發現，當一顆磁星（一顆磁場比地球強數萬億倍）位於年輕的超新星中心時，這些超超新星事件就會發生。

圖示：從3D模擬中得到的磁星驅動超超新星的星雲相；目前，超新星噴出物已經膨脹到與太陽系相似的大小；噴出物的內外區域都出現了大範圍混合；得到的光曲線和光譜對混合很敏感，這取決於恆星結構和磁星的物理性質。

磁星釋放的輻射放大了超新星光度，但要了解這是如何發生的，研究人員需要多維模擬。研究的主要作者、臺灣中央研究院天文與天體物理研究所(ASIAA)的天體物理學家陳肯(Ken Chen)表示：要對磁星驅動的超超新星進行3-D模擬，需要大量的超級計算能力和正確的代碼，一個能夠捕捉相關微物理的代碼。在三維中捕捉這些超超新星事件流體不穩定性所需的數值模擬非常複雜。需要大量的計算能力，這就是為什麼以前沒有人做過這項研究。

流體不穩定性在隨處可見，例如，如果你有一杯水，在上面放一些染料，水的表面張力就會變得不穩定，較重的染料就會沉到底部。由於兩種流體互相流過，這種不穩定性的物理現象不能在一維空間中捕捉到。需要垂直於高度的第二個或第三個維度才能看到所有的不穩定性。在宇宙尺度上，導致湍流和混合的流體不穩定性在星系、恆星和超新星等宇宙物體的形成中起著關鍵作用，這需要以極高的解析度，捕捉一系列尺度上的物理現象。

圖示：超速超新星內部磁氣泡的湍流核心，顏色編碼顯示密度，磁星位於這張圖像的中心，從它發射出兩個雙極流出，外流的物理大小約為1萬公裡。

從非常大到非常小，才能準確地建模像超光速超新星這樣的天體物理對象。這給天體物理學家帶來了技術挑戰，研究能夠通過一個新的數值方案和NERSC的數百萬個超級計算小時來克服這個問題。在這項研究中，研究人員模擬了一個大約150億公裡寬的超新星遺蹟，裡面有一個直接10千米的磁星。在該系統中，模擬結果表明，在殘餘物中形成了兩種尺度的流體動力不穩定性。一種不穩定是在磁星提供能量的熱泡中，另一種是年輕超新星正激波撞擊周圍氣體時發生的。

這兩種流體不穩定性導致的混合，比通常在典型超新星事件中發生的更多，這對超超新星的光曲線和光譜有重大影響。所有這些都不會在一維模型中被捕捉到，這兩種情況都不會發生在典型的超新星事件中。研究還發現，磁星可以將年輕超新星拋出的鈣和矽元素，加速到每秒12000公裡的速度，這解釋了在光譜觀測中發射線加寬的原因。即使來自弱磁星的能量，也可以將位於超新星遺蹟深處的鐵族元素加速到每秒5000到7000公裡。

圖示：超超新星內部磁氣泡的湍流核心，顏色編碼顯示密度，磁星位於這張圖像的中心，強湍流是由中心磁星的輻射引起。

這就解釋了為什麼在SN1987A這樣的核心塌縮超新星事件中很早就觀察到了鐵，這在天體物理學中是一個長期存在的謎團。該研究團隊是第一個在三維中準確模擬超速超新星系統的人，因為很幸運能接觸到NERSC超級計算機，這個設施是做尖端科學極其方便的地方。

博科園｜研究/來自：美國國家能源研究科學計算中心

參考期刊《天體物理學》

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