研究展示宇宙最早期大質量恆星死亡過程

2020-11-24 cnBeta

據英國《每日郵報》報導，乍一看，這樣的圖像與人類的大腦極其相似。但事實上，這是宇宙中一顆最早期恆星死亡時候的場景。研究人員表示這些早期恆星的死亡是獨特的，它們會以超新星的形式發生爆發，並完全焚毀，不會留下黑洞，而是將大量的化學物質撒播到宇宙空間之中。

這是一張大質量恆星的內部模擬「切片」，這顆恆星的質量大約是5.55萬倍太陽質量。圖像展示的是其內部的氦核正在燃燒，將氦轉變為氧，驅動各類流體不穩定性，從而形成了圖像中所示的那些渦旋結構。這是時光的定格，展示這顆恆星進入爆發階段一天之後的狀態，此時這顆恆星的最外側邊界已經擴展到相當於今天地球圍繞太陽軌道的位置

隨著恆星塌縮過程的進行，其內部開始快速合成重元素，如氧，氖，鎂和矽。這一過程會釋放大量能量，它最終將逆轉塌縮進程，並引發超新星爆發

為了模擬一顆原始超大質量恆星的生命周期，陳博士與同事們使用了一款名為「KEPLER」的恆星演化程序代碼。這一程序設計中考慮了一些恆星演化的關鍵過程，如核燃燒以及恆星對流等機制，另外還加入了針對大質量恆星的一些特點

某些原始恆星的質量達到太陽質量的5.5萬至5.6萬倍，這樣的龐然大物，其死亡方式將是不同尋常的。美國加州大學聖克魯茲分校以及明尼蘇達大學的天體物理學家們在美國聯邦能源部下屬國家能源研究科學計算中心(NERSC)以及明尼蘇達大學超級計算研究所的超級計算機上進行了數輪運算之後提出了這一理論。

這項研究工作嚴重依賴於CASTRO程序包，這是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室計算研究所(CRD)開發的一款天體物理學程序包。有關這項研究的最新進展已經刊載於近期出版的《天體物理學學報》上。

第一代恆星尤其讓科學家們感興趣，因為它們產生了最早的重元素，這裡所說的重元素是指所有那些原子量大於氫和氦的元素。當死亡來臨，它們便將自己產生的所有重元素灑向周圍的太空，從而為後續的世代的恆星，乃至星系的誕生奠定基礎。通過對這些最早期恆星死亡模式的進一步了解，科學家們希望更好的搞清楚我們今天所處的這個宇宙是如何成型的。

程克鈞(音譯：Ke-Jung Chen)是加州大學聖克魯茲分校的博士後，也是這項研究的第一作者。他表示：「我們發現存在一個狹窄的窗口，在此範圍內恆星可以完全被炸毀而不會留下黑洞，在此之前還從未有人提出過這樣的機制。但如果沒有NERSC提供的資源，我們可能還將需要長得多的時間才能得到這一結果。」他說：「從用戶的角度來看，這一設施的運行非常高效，是做科學非常方便的地方。」

為了模擬原始恆星的生命周期，研究組運用了一種一維恆星演化程序代碼，名為「KEPLER」。這一程序設計中考慮了一些恆星演化的關鍵過程，如核燃燒以及恆星對流等機制。另外還加入了針對大質量恆星的一些特點，如元素的光致裂變，電子-正電子產生以及特殊相對論效應。研究組同時還考慮了廣義相對論效應，這對於具有1000倍以上太陽質量的超級恆星而言是必須要考慮的重要因素。

這樣做的結果是他們發現那些質量介於5.5萬~5.6萬個太陽質量的超級恆星壽命約為169萬年，此後便會開始在廣義相對論效應作用下變得不穩定並開始塌縮過程。隨著恆星塌縮，其內部開始快速合成重元素，如氧，氖，鎂以及矽等等。這一過程會釋放大量能量，這股強大的能量壓過了讓恆星保持整體存在的引力作用，終於造成恆星塌縮中斷並發生劇烈爆發——超新星爆發出現了。

為了模擬這類大質量恆星的死亡機制，研究組使用了CASTRO程序包，這是由伯克利實驗室的安·安姆基恩(Ann Almgren)和約翰·貝爾(John Bell)開發的一款天體物理學專用程序包。

這些模擬現實，一旦塌縮過程被逆轉，瑞利-泰勒不穩定性(Rayleigh-Taylor instabilities)將會在恆星生命的最後階段讓各類重元素相互混雜。

研究組表示這種混雜作用將會產生一種獨特的觀測信號，利用未來出現的新型近紅外探測器將可以探測到，如歐洲空間局(ESA)的歐幾裡得探測器以及美國宇航局的廣域紅外巡天望遠鏡。

取決於這類超新星爆發的強度，部分超新星的爆發可以造成整個星系乃至臨近其他星系的元素富集，從碳到矽，富集重元素的種類多樣。在某些案例中，超新星爆發甚至可以在其所在星系中觸發大量新生恆星的形成，從而讓這一星系變得與其他星系完全不同。

陳博士表示：「我的工作主要著眼於以超越流體動力學的物理學機制對極大質量恆星超新星爆發進行研究，因此我與安姆基恩合作，在多年來在許多個項目上逐漸嘗試適應CASTRO軟體包的使用。在我開展此項模擬之前，我一般都會首先思考一下為了解決某一特定問題所需的物理學。隨後我便與安姆基恩一同工作，開發了一套代碼，並將其融入CASTRO程序包。這是一套完全不同的體系。」

為了將數據實現可視化，陳博士採用了一種名為「VisIt」的開放代碼工具，這是由前伯克利實驗室科學家漢克·切爾德(Hank Childs)構建的。程克鈞表示：「在大多數時間裡，我都是自己運行可視化模擬，但當有時候我需要進行一些修改，我就會發電子郵件給漢克，他對我非常有幫助。」

這項研究的大部分工作是陳博士在美國明尼蘇達大學讀研究生時期完成的。他於2013年完成了物理學博士階段學業。

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