超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後

2020-07-24 邊緣科學


超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後

天文學中許多問題的答案都隱藏在深時間的面紗後面。其中一個問題是關於超新星在早期宇宙中所扮演的角色。早期超新星的任務是鍛造出在大爆炸中沒有鍛造的更重的元素。這個過程是如何進行的?早期的恆星爆炸是如何發生的?

三名研究人員轉向超級計算機模擬來尋找答案。

他們的研究結果發表在一篇題為「鎳-56衰變加熱對不穩定超新星的氣體動力學」的論文中。論文的主要作者是來自臺灣天文學與天體物理研究所的中央研究院的陳克俊。這篇論文發表在《天體物理學雜誌》上。

這項工作是關於一種特殊類型的超新星。超新星的能量大約是花園型超新星的100倍,只有太陽質量130到250倍的恆星才會出現。

科學家們對超新星進行了大量的研究。研究人員了解它們是如何工作的,以及它們的類型。他們知道如何製造比氫和氦重的元素,並在爆炸時將這些元素送入宇宙。但是在我們的理解上有一些重要的差距,特別是在早期宇宙中。

這三位研究人員想研究超新星,因為他們認為這可能給他們提供宇宙中第一顆超新星的線索,以及早期元素是如何產生的。在早期宇宙中,恆星往往質量更大,因此可能有更多的超新星。但超新星現在極為罕見。所以他們轉向超級計算機模擬。


超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後

通過他們的模擬,他們模擬超新星的核心,觀察爆炸開始300天後爆炸恆星的樣子。

超新星的形成有兩種方式:核心崩塌和成對不穩定。

在一顆核心塌陷的超新星中,一顆大質量恆星已經到了生命的盡頭,燃料也快用完了。隨著聚變的減少,聚變的向外壓力也隨之下降。由於缺乏向外的壓力,恆星自身的引力能會向下推動核心。最終,引力能導致核心坍塌,恆星以超新星的形式爆炸。根據恆星的質量,它可以留下一個中子星殘骸,或者一個黑洞。

不穩定超新星發生在質量約為130至250倍太陽質量的超大質量恆星中。當電子和它們的反物質對應物正電子在恆星中產生時,就會發生這種情況。這就在恆星的核心產生了不穩定性,並降低了內部輻射壓力,而這種壓力是支持如此巨大的恆星對抗其自身巨大引力所需要的。不穩定性引發部分坍塌, 從而引發失控的熱核爆炸。最終,恆星被一場大爆炸摧毀,沒有留下任何殘餘。


超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後

該團隊專注於對不穩定超新星。作出這一選擇的原因之一是對不穩定超新星可能產生大量的鎳-56。

鎳-56是鎳的放射性同位素,在我們對超新星的觀測中起著重要作用。鎳-56的衰變是產生超新星餘輝的原因。如果沒有它,超新星就只是一個明亮的閃光,沒有餘光。

該團隊使用日本國家天文臺(NAOJ)計算天體物理中心(CfCA)的超級計算機進行模擬。這是一臺Cray XC50,2018年開始運行,它是世界上用於天體物理模擬的最快超級計算機。這麼強大的超級計算機能否幫助我們了解早期宇宙的一些情況?

據主要作者Chen介紹,整個項目極具挑戰性。在一份翻譯好的新聞稿中,Chen說:&34; 為了應對這些,Chen說,他們最大的優勢就是 &34;。研究人員三人組有長期模擬超新星的經驗,所以他們有條件做這項工作。

這不是第一次模擬超新星。其他研究人員也很想了解它們,並做了自己的模擬。但以往的模擬都是在爆炸後30天內運行,而這次的模擬卻運行了300天。其中一個關鍵原因是鎳-56。事實證明,鎳-56的作用不僅僅是製造超新星的長壽光芒。它在爆炸中起到了持續的作用。為了徹底了解超新星爆炸,研究小組對三顆不同的原生星進行了模擬。


超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後

一個超新星需要一個非常巨大的原星,有時超過200個太陽質量。該超新星可以製造大量的鎳-56。根據論文,它們可以合成0.1-30個太陽質量的放射性鎳-56。除了創造這些光之外,鎳-56還能做其他事情。作者在他們的論文中寫道,所有這些鎳-56 &34;

研究小組想要探究 &34;。他們發現,在鎳-56衰變的初始階段,被加熱的氣體膨脹,並形成了具有薄殼的結構。

在解釋模擬結果之一時,陳建國說:&34;。早期的模型都忽略了氣體動態效應,所以超新星光度結果都被高估了。"


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