藝術家構建的超新星1987A概念圖圖片來源：ESO
在用了3個月的時間試圖“炸燬”一顆恆星後，Hans-Thomas Janka及其團隊成員終於看到了他們一直在等待的東西。
和全世界大多數耐心的放火狂一樣，他們觀察著模擬的巨大恆星——以細緻入微的方式得以呈現——慢慢趨向爆發。
每天，他們的超級計算機僅能記錄該恆星生命5毫秒的時間。
不過，堅持自有回報。在該團隊此前進行實際模擬的嘗試中，這顆恆星的“煙火秀”總是逐漸消失。
這一次，Janka觀察到驅動爆發所需的衝擊波持續增長，同時模擬的恆星變成了超新星。
“就在那一刻，我們意識到，20年來夢寐以求的時刻終於到了。”德國馬普學會天體物理學研究所理論天體物理學家Janka說，“我們正在走向闡明這些巨大恆星爆發機制的道路。”
半個多世紀以來，物理學家一直懷疑，由在恆星核心處形成的難以捉摸的粒子——中微子產生的熱量能生成爆炸。
而爆炸在1秒內輻射的能量比太陽整個生命週期產生的都要多。但他們在證明該假設時遇到了麻煩。
爆炸過程是如此複雜——包含廣義相對論、流體動力學、核和其他物理學，以至於計算機無法模擬該機制。這帶來了問題。“如果你無法重現它，就意味著你無法理解它。”Janka表示。
如今，得益於原始計算能力的提升以及在更深入瞭解恆星物理學機制方面所作的努力，該領域取得了巨大進展。
Janka進行的模擬標誌著物理學家首次獲得最常見超新星類型爆發的真實3D模型。
幾個月後，一個位於美國橡樹嶺國家實驗室的競爭團隊利用更重且更加複雜的恆星重複了這一壯舉。目前，該領域發展得風生水起。很多研究人員相信，他們正接近於闡明對產生此類爆發至關重要的因素。
困擾了50年的能量“虧空”問題
當一顆質量是太陽8~40倍的恆星走到生命盡頭時，它往往會爆發——釋放的能量比1萬億兆個核彈頭還多。
這些“核塌縮”爆發佔到所有超新星的2/3左右。對核塌縮超新星的興趣始於上世紀50年代末。
當時，科學家首次推斷出很多化學元素——包括對生命至關重要的大多數元素——在恆星中形成。
他們認為，一些最重的元素將在高能且快速進化的超新星“熔爐”中出現。隨後，爆發將它們噴出，從而在太空播撒構成恆星和行星系的“原料”。
天體物理學家認為，這些恆星在爆發前會耗盡氣體，也就是氫氣。由於發生聚變的東西變少，老的恆星不再產生如此多的輻射，其核心也在重力作用下收縮。較輕的元素逐漸融合到較重的元素中，但遇到鐵時會“突然剎車”。
最終，由於無法抗拒引力，鐵核心的中央在不到1秒的時間裡崩塌並形成已知密度最大的物質——中子星。
通常認為，落入的物質隨後撞擊新形成的中子星並被反彈回來，從而創建了從中心處向外盪漾的衝擊波。
不過，僅反彈本身太過微弱，以至於無法同時逆轉物質的崩塌和使恆星外層飛出去。
沒有一些額外的能量來源，這個過程會半路“熄火”。Janka介紹說，這一“虧空”“困擾了我們50多年”。
恆星爆發背後推手
關於什麼可能提供了推動力的首個線索出現於1987年。
當時，天文學家在附近星系——大麥哲倫星雲中觀測到一顆超新星。當時，一維模型肯定地推斷恆星是完美的球體：由相互融合的元素形成的同心層構成，並且包含僅用一個座標——到中心點的距離——便可解釋的動力學機制。
不過，超新星1987A噴射元素的混雜方式表明，各元素層一定是混合的。這是一個無法在一維下描述的動力學過程。
隨著上世紀90年代更加強大的計算機的出現，建模專家通過將一維模型發展到二維，捕獲了這一運動。
在二維空間中，加熱的中微子表現得像一鍋水下面的爐灶火焰。這產生了將新鮮物質攪拌在一起供中微子加熱的熱對流和湍流，並且增加了衝擊波背後的壓力。
2003年，來自上述橡樹嶺團隊的Antony Mezzacappa發現，衝擊波中的擾動能迅速增長為大規模的晃動和激烈的旋轉。這被稱為靜止吸積激波不穩定性（SASI）。這些運動為衝擊波“充電”並且幫助恆星爆發。
不過，物理學家仍擔心，他們在二維空間呈現恆星時所作的妥協可能人為增加了爆發幾率。
的確，澳大利亞莫納什大學計算天體物理學家Bernhard Müller（2014年之前，是Janka團隊成員）介紹說，當計算能力在本世紀初強大到足以產生簡單的三維模型時，這些模型再一次“不願爆炸了”。
直到2012年更快超級計算機的出現，才使研究人員開始將廣義相對論同更詳細的核和粒子物理學“編織”在一起，從而使三維恆星在從頭製作的模型中爆發。
Janka介紹說，到達這一里程碑增加了人們對中微子加熱、對流和SASI振盪是恆星爆發背後推手這一假設的信心。
自2015年起，全球多個團隊，包括加州理工學院、普林斯頓大學、密歇根州立大學和日本福岡大學的團隊，開始利用三維模型開展研究。
其中，很大一部分模擬以恆星爆發收尾。雖然這一趨勢需要繼續在擁有不同質量和原始結構的恆星中得以證實，但Müller對此表示樂觀。“我們似乎正在接近這個問題的答案。”
尋找其他因素
其他人則持懷疑態度。
衝擊波在相對較小的恆星中更容易出現。
2015年，當Janka團隊試圖引爆一顆較大的三維恆星（質量是太陽的20倍）時，他們僅在將中微子的一個反應速率調到粒子物理學允許的誤差線最低值時才取得了成功。
如今，利用更加真實的初始條件開展的模擬仍然只是接近爆發和“熄火”之間的臨界點，並且沒有人確切知道原因何在。
“在現實中，這些事物總是能穩定地爆發。”密歇根州立大學計算天體物理學家Sean Couch說。之所以模型“不願意”這麼做，“可能是告訴我們，要麼沒有準確地模擬出所囊括的物理學性質，要麼我們錯失了一些物理學機制”。
一個解決辦法是不停地建造更豐富的模型。不過，即便在今天的超級計算機上，這一過程仍需要耗費數月。
未來幾年，美國、歐洲、日本等國家和地區的超級計算機升級，或能將針對三維爆發模擬的運行時間減少到幾周。
不過，Mezzacappa表示，即便在這之後，要實現將完整的物理學機制包括進來的三維模擬，仍需要強大100倍的計算機。而建造出這種計算機，可能是幾十年後的事情了。
與此同時，物理學家正把精力放在調整模型上，以便確定他們能否闡明3個主要因素——中微子加熱、對流和SASI振盪如何相互作用以及是否有其他因素被錯失。一些人正在探尋旋轉和磁場是否可能助推了爆發。
其他人則將模型基於更加真實的恆星——從一開始便將擾動加入進來。但對模擬結果進行比較非常困難。
每個團隊的模型不僅包括的物理學機制不同，簡化方法、分辨率和像素排列也都不同——所有這些都會影響到模擬結果。
同時，各個團隊都在堅決捍衛他們的選擇。“我參加會議時看到，來自不同團隊的人幾乎打了起來。每個人都在說，‘我的代碼更好。’”Modjaz表示，但這無從得知，因為他們不會公開代碼，也不會以一種常規的方式比較各種模擬結果。
（宗華編譯）
《中國科學報》 (2018-06-14 第3版 國際)
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