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，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?。ò怏w與塵埃）在拋灑的過程中所產(chǎn)生的細微結(jié)構(gòu)，在很長一段時間內(nèi)都困擾著天文學(xué)家。更麻煩的是，在銀河系中，一個世紀(jì)內(nèi)僅出現(xiàn)一兩次超新星事件，發(fā)生前通常也沒有什么征兆。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，但是由于算力限制，他們還得事先提供相關(guān)細節(jié)的假設(shè)。

美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員希望使用一種新型實驗改變現(xiàn)狀。這個實驗試圖發(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)于常見的雙開門，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，一個圓柱體或是球體的切面表現(xiàn)出的動力學(xué)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(chǎn)生的沖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后一小時內(nèi)的過程。在今年6月的《天體物理學(xué)雜志》（Astrophysical Journal）上，科學(xué)家詳細描述了這項實驗。

研究團隊將視線對準(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放大，形成飛速增大的蘑菇云狀擾動。當(dāng)氣體發(fā)生卷曲后，就會產(chǎn)生湍流，最終分別形成低密度的氣泡和高密度的尖峰。如果氣體尖峰移動速度足夠大，還會折斷，當(dāng)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(xiàn)卻與氣體尖峰相似。加利福尼亞州帕薩迪納市卡內(nèi)基天文臺的超新星理論學(xué)家安東尼·皮羅（Anthony Piro，并未參與這項研究）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烈的影響，但是科學(xué)家仍需進一步確認(rèn)這項模型的局限性。

皮羅介紹說，為了免除長達數(shù)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(shè)，設(shè)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(shè)。美國密歇根大學(xué)的物理學(xué)家卡洛琳·庫蘭茲（Carolyn Kuranz，并未參與這項研究）表示：“如今科學(xué)家已經(jīng)能在不同級別的小尺度上，觀察微觀結(jié)構(gòu)的演化過程?！边@項實驗創(chuàng)建出的結(jié)構(gòu)也類似于庫蘭茲在研究等離子體混合時觀察到的現(xiàn)象。她說：“理論曾預(yù)測這兩者應(yīng)該是類似的，現(xiàn)在的實驗也證明了它們的相似性?！?/p>

氣體混合現(xiàn)象

皮羅認(rèn)為，這項實驗?zāi)転殛P(guān)于超新星的“大量物理學(xué)問題提供驚人的證據(jù)”。他說，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)的觀測結(jié)果。

科學(xué)家構(gòu)建超新星模型的過程一直受到重重挑戰(zhàn)。地球上的重力遠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。但是“即便爆炸事件被弱化了，我們需要應(yīng)對的其他問題也同樣被弱化了，因此比例應(yīng)該是一致的?！弊糁蝸喞砉W(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，防止氣體在實驗器具的邊緣發(fā)生反彈，是一場“漫長而艱難的戰(zhàn)斗”，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(jīng)常會被爆炸的沖擊波吹成碎片，拖延我們的實驗進度?！钡脖硎?，“如果不用泡沫填充，整個物理過程就會發(fā)生改變?！?/p>

另一個令科學(xué)家擔(dān)心的問題在于模擬的維度。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(chǎn)生更大的渦流，因此需要更長的時間拆解其中的結(jié)構(gòu)變化。這也是研究人員在未來工作中可能需要解決的問題。

佐治亞理工學(xué)院的天體物理學(xué)家德韋什·蘭詹（Devesh Ranjan，這項研究的主要負責(zé)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(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)模越大的實驗?zāi)塬@取的圖像越少，只能瞥見結(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：“我們的實驗?zāi)芴峁┱麄€過程的動態(tài)視圖。結(jié)合兩種尺度的實驗，應(yīng)當(dāng)能讓我們看到一些共通之處，知道真實的超新星事件中發(fā)生了什么?！?/p>

在此之前，從未有過同類型的實驗。皮羅對此并不感到驚訝：“必須是掌握各種不同實驗技術(shù)的專家才能整合并完成這項實驗。這個團隊在實驗室中解決問題時表現(xiàn)出的創(chuàng)造性實在令人鼓舞，這一點是不容低估的?！?/p>

將這項研究與超新星演化的模型相結(jié)合，再加入針對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的超新星爆發(fā)時無法觀察到的細節(jié)。庫蘭茲評價說：“如果以找到通用模型為總體目標(biāo)，那么利用這些實驗，尤其是在不同尺度和不同條件下的實驗，就能推動實現(xiàn)目標(biāo)?！?/p>

撰文：諾拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）

翻譯：董子晨曦

文章來源：環(huán)球科學(xué)


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