如何“炸掉”一颗星星 超新星模拟尝试破解恒星死亡之谜

在用了3个月的时间试图“炸毁”一颗恒星后，Hans-Thomas Janka及其团队成员终于看到了他们一直在等待的东西。和全世界大多数耐心的放火狂一样，他们观察着模拟的巨大恒星——以细致入微的方式得以呈现——慢慢趋向爆发。每天，他们的超级计算机仅能记录该恒星生命5毫秒的时间。

不过，坚持自有回报。在该团队此前进行实际模拟的尝试中，这颗恒星的“烟火秀”总是逐渐消失。这一次，Janka观察到驱动爆发所需的冲击波持续增长，同时模拟的恒星变成了超新星。“就在那一刻，我们意识到，20年来梦寐以求的时刻终于到了。”德国马普学会天体物理学研究所理论天体物理学家Janka说，“我们正在走向阐明这些巨大恒星爆发机制的道路。”

半个多世纪以来，物理学家一直怀疑，由在恒星核心处形成的难以捉摸的粒子——中微子产生的热量能生成爆炸。而爆炸在1秒内辐射的能量比太阳整个生命周期产生的都要多。但他们在证明该假设时遇到了麻烦。爆炸过程是如此复杂——包含广义相对论、流体动力学、核和其他物理学，以至于计算机无法模拟该机制。这带来了问题。“如果你无法重现它，就意味着你无法理解它。”Janka表示。

如今，得益于原始计算能力的提升以及在更深入了解恒星物理学机制方面所作的努力，该领域取得了巨大进展。Janka进行的模拟标志着物理学家首次获得最常见超新星类型爆发的真实3D模型。几个月后，一个位于美国橡树岭国家实验室的竞争团队利用更重且更加复杂的恒星重复了这一壮举。目前，该领域发展得风生水起。很多研究人员相信，他们正接近于阐明对产生此类爆发至关重要的因素。

困扰了50年的能量“亏空”问题

当一颗质量是太阳8~40倍的恒星走到生命尽头时，它往往会爆发——释放的能量比1万亿兆个核弹头还多。这些“核塌缩”爆发占到所有超新星的2/3左右。对核塌缩超新星的兴趣始于上世纪50年代末。当时，科学家首次推断出很多化学元素——包括对生命至关重要的大多数元素——在恒星中形成。他们认为，一些最重的元素将在高能且快速进化的超新星“熔炉”中出现。随后，爆发将它们喷出，从而在太空播撒构成恒星和行星系的“原料”。

天体物理学家认为，这些恒星在爆发前会耗尽气体，也就是氢气。由于发生聚变的东西变少，老的恒星不再产生如此多的辐射，其核心也在重力作用下收缩。较轻的元素逐渐融合到较重的元素中，但遇到铁时会“突然刹车”。最终，由于无法抗拒引力，铁核心的中央在不到1秒的时间里崩塌并形成已知密度最大的物质——中子星。

通常认为，落入的物质随后撞击新形成的中子星并被反弹回来，从而创建了从中心处向外荡漾的冲击波。不过，仅反弹本身太过微弱，以至于无法同时逆转物质的崩塌和使恒星外层飞出去。没有一些额外的能量来源，这个过程会半路“熄火”。Janka介绍说，这一“亏空”“困扰了我们50多年”。

恒星爆发背后推手

关于什么可能提供了推动力的首个线索出现于1987年。当时，天文学家在附近星系——大麦哲伦星云中观测到一颗超新星。当时，一维模型肯定地推断恒星是完美的球体：由相互融合的元素形成的同心层构成，并且包含仅用一个坐标——到中心点的距离——便可解释的动力学机制。不过，超新星1987A喷射元素的混杂方式表明，各元素层一定是混合的。这是一个无法在一维下描述的动力学过程。

随着上世纪90年代更加强大的计算机的出现，建模专家通过将一维模型发展到二维，捕获了这一运动。在二维空间中，加热的中微子表现得像一锅水下面的炉灶火焰。这产生了将新鲜物质搅拌在一起供中微子加热的热对流和湍流，并且增加了冲击波背后的压力。2003年，来自上述橡树岭团队的Antony Mezzacappa发现，冲击波中的扰动能迅速增长为大规模的晃动和激烈的旋转。这被称为静止吸积激波不稳定性（SASI）。这些运动为冲击波“充电”并且帮助恒星爆发。

不过，物理学家仍担心，他们在二维空间呈现恒星时所作的妥协可能人为增加了爆发几率。的确，澳大利亚莫纳什大学计算天体物理学家Bernhard Mller（2014年之前，是Janka团队成员）介绍说，当计算能力在本世纪初强大到足以产生简单的三维模型时，这些模型再一次“不愿爆炸了”。直到2012年更快超级计算机的出现，才使研究人员开始将广义相对论同更详细的核和粒子物理学“编织”在一起，从而使三维恒星在从头制作的模型中爆发。