超新星爆發(fā)背后的神秘物質(zhì)

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，1987年，一顆巨大的恒星在我們的銀河系附近爆炸。自人類發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，這是最明亮、也是距離地球最近的一次超新星爆發(fā)，幾乎所有的天文臺(tái)都把目光聚焦于這次超新星的爆發(fā)。也許最令人興奮的是，一些建造在地底深處的特殊探測(cè)器還捕獲到從這次爆發(fā)中放射出的神秘亞原子：中微子。

1966年，科學(xué)家第一次提出，這些神秘粒子可能是超新星爆發(fā)的背后動(dòng)力。中微子的發(fā)現(xiàn)，讓多年來(lái)一直試圖了解超新星爆發(fā)內(nèi)部原理的理論科學(xué)家感到欣慰。然而，幾十年來(lái)，天體物理學(xué)家卻不斷地遭遇一個(gè)困境，他們的中微子超新星爆發(fā)模型似乎存在致命缺陷。

中微子是出了名的孤傲粒子。在坍縮恒星的極端條件下，中微子究竟是如何將它們的能量轉(zhuǎn)移給恒星的普通物質(zhì)的，這些問(wèn)題仍未得到解答。每當(dāng)理論科學(xué)家嘗試在計(jì)算機(jī)模擬中對(duì)這些復(fù)雜的粒子運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行建模時(shí)，超新星的沖擊波總不可避免地停止然后回撤。密歇根州立大學(xué)的計(jì)算天體物理學(xué)家塞恩·庫(kù)奇說(shuō)，一次次的失敗“讓我們漸漸開始相信，我們現(xiàn)有的主流超新星爆發(fā)理論可能行不通”。

當(dāng)然，超新星爆發(fā)的內(nèi)部深處到底發(fā)生了些什么，一直以來(lái)都無(wú)人知曉。它好似一口容納各種極端的大鍋，又好似一碗充斥著嬗變物質(zhì)的洶涌熱湯;在這里，我們平日里經(jīng)常忽略的粒子和作用力變得至關(guān)重要。更為復(fù)雜的問(wèn)題是，超新星爆發(fā)內(nèi)部很大程度上被籠罩在熱氣云之中，難以看見。普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家亞·當(dāng)伯羅斯研究超新星已有35年以上。他說(shuō)，了解超新星爆發(fā)的細(xì)節(jié)“一直是天體物理學(xué)中尚未解決的核心難題”。

但是，最近幾年，理論科學(xué)家已經(jīng)能夠鎖定導(dǎo)致超新星爆發(fā)的異常復(fù)雜的機(jī)制。伯羅斯在《自然》雜志上寫道，超新星爆發(fā)模擬已經(jīng)成為常態(tài)，而非例外。多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)研究小組的計(jì)算機(jī)代碼現(xiàn)在也逐漸就超新星爆發(fā)沖擊波的演化達(dá)成共識(shí)。與此同時(shí)，模擬技術(shù)到目前為止已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，甚至可以將愛因斯坦那極其復(fù)雜的廣義相對(duì)論帶來(lái)的影響也納入其中。至此，人們終于得以撥開迷霧，嘗試了解中微子在超新星爆發(fā)中所起的作用。

庫(kù)奇說(shuō)：“這是一個(gè)分水嶺?！彼麄儼l(fā)現(xiàn)，沒有混亂，正在坍縮的恒星或許永遠(yuǎn)無(wú)法變成超新星。

混沌之舞

在恒星一生的大部分時(shí)間里，恒星內(nèi)部核反應(yīng)所產(chǎn)生的輻射帶來(lái)的向外推力與恒星的內(nèi)向引力保持著微妙的平衡。等恒星的燃料耗盡時(shí)，內(nèi)向引力開始占上風(fēng)。恒星的核心自身開始坍塌（以每小時(shí)15萬(wàn)公里的速度驟然坍縮），導(dǎo)致溫度激增至1000億攝氏度，并將核心融合成一個(gè)固態(tài)中子球。

恒星的外層會(huì)繼續(xù)向內(nèi)坍縮，但是當(dāng)外層撞擊到這個(gè)不可壓縮的中子核時(shí)，外層將被彈回，產(chǎn)生沖擊波。沖擊波若要變?yōu)楸?，必須得有足夠的能量向外推?dòng)沖擊波，幫助其逃離恒星的引力。與此同時(shí)，恒星最外層仍在向內(nèi)坍縮。因此，沖擊波還必須沖破最外層的內(nèi)向旋渦。

一直以來(lái)，科學(xué)家對(duì)推動(dòng)沖擊波的作用力的理解僅限于最模糊的術(shù)語(yǔ)。過(guò)去幾十年，我們的計(jì)算機(jī)還不夠強(qiáng)大，只能運(yùn)行坍塌核心的簡(jiǎn)化模型。恒星一直被視為完美的球體，沖擊波從中心向每個(gè)方向以相同的方式擴(kuò)散出去。但是，在一維模型下，當(dāng)沖擊波向外移動(dòng)時(shí)，它最終會(huì)放緩速度，然后漸漸減弱。

直到最近幾年，隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，理論科學(xué)家才擁有足夠的計(jì)算能力，可以對(duì)大質(zhì)量恒星以及實(shí)現(xiàn)超新星爆發(fā)所必需的復(fù)雜條件進(jìn)行建模。眼下最好的模型整合了諸多細(xì)節(jié)，比如中微子與物質(zhì)在微觀層面的相互作用、流體的無(wú)序運(yùn)動(dòng)以及物理學(xué)多個(gè)不同領(lǐng)域（從核物理到恒星演化等）的最新進(jìn)展。另外，理論科學(xué)家現(xiàn)在每年可以運(yùn)行多個(gè)模擬，他們可以自由地調(diào)整模型，并嘗試不同的初始條件。

2015年，庫(kù)奇和他的合作者迎來(lái)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，他們正在運(yùn)行一個(gè)三維計(jì)算機(jī)模型。該模型模擬了一顆大質(zhì)量恒星在坍縮最后幾分鐘時(shí)的情形。雖然該模擬僅描繪了恒星生命的160秒光景，但它揭示了一種之前未被重視的物質(zhì)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮的作用。這種物質(zhì)讓停滯的沖擊波變成了真正的爆炸。

隱藏在野獸腹中的粒子雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著，一片混沌。庫(kù)奇說(shuō)：“好似爐子里燒開的水。恒星內(nèi)部也有這樣的劇烈翻滾，每秒速度可達(dá)幾千公里。”

這種混亂創(chuàng)造了沖擊波背后的額外壓力，推動(dòng)沖擊波進(jìn)一步遠(yuǎn)離恒星核心。距離恒星核心越遠(yuǎn)，內(nèi)向引力便越弱，阻礙沖擊波的向內(nèi)坍縮物質(zhì)也越少。沖擊波背后的混亂物質(zhì)也有更多時(shí)間吸收中微子。中微子產(chǎn)生的能量又可以加熱混亂物質(zhì)，繼續(xù)把沖擊波變?yōu)楸ā?/p>

多年以來(lái)，研究人員一直未能意識(shí)到混亂物質(zhì)的重要性，因?yàn)橹挥腥S模型才能揭示其全部的影響。伯羅斯說(shuō)：“大自然不費(fèi)吹灰之力就可以做到的事情，我們卻需要幾十年的時(shí)間，從一維到二維再到三維，才能實(shí)現(xiàn)?！?/p>

這些模擬還表明，混亂也會(huì)導(dǎo)致爆炸的不對(duì)稱，使得恒星看上去有點(diǎn)像沙漏。隨著爆炸向一個(gè)方向散開，物質(zhì)繼續(xù)沿著另一個(gè)方向朝著核心坍縮，進(jìn)一步為恒星爆發(fā)補(bǔ)充能量。

這些新的模擬讓研究人員得以更好地了解，超新星是如何塑造了我們今日所見的宇宙。伯羅斯說(shuō)：“我們可以獲得正確的爆炸能量范圍，我們也可以得出恒星爆發(fā)后留下的中子星質(zhì)量?！背滦潜l(fā)創(chuàng)造了宇宙中大部分的重元素，如氧和鐵等。理論科學(xué)家目前也開始使用模擬，來(lái)精確預(yù)測(cè)這些重元素有多少。俄亥俄州立大學(xué)的理論和計(jì)算天體物理學(xué)家塔格爾多·薩克伯德說(shuō)：“現(xiàn)在，我們正著手解決在過(guò)去都無(wú)法想象的問(wèn)題。”

下一次爆炸

盡管計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但超新星爆發(fā)模擬仍比太空中觀測(cè)到的要少很多。哈佛大學(xué)的天文學(xué)家艾鐸·伯格說(shuō)：“20年前，我們每年大約可以發(fā)現(xiàn)100個(gè)超新星爆發(fā)。現(xiàn)在，我們每年可以發(fā)現(xiàn)1萬(wàn)或2萬(wàn)個(gè)。”因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在擁有新的望遠(yuǎn)鏡，可以快速、重復(fù)地掃描整個(gè)夜空。相比之下，我們的理論科學(xué)家每年只能進(jìn)行大約30次的計(jì)算機(jī)模擬。一個(gè)耗費(fèi)數(shù)月的模擬，最終也僅能重現(xiàn)幾分鐘的恒星坍縮。庫(kù)奇說(shuō)：“你每天都去查看模型，然后發(fā)現(xiàn)只前進(jìn)了一毫秒。”

新模擬的廣泛準(zhǔn)確性讓天體物理學(xué)家對(duì)下一次近距離的超新星爆發(fā)感到十分興奮。哥本哈根大學(xué)的理論天體物理學(xué)家艾琳·坦博拉說(shuō)：“在等待銀河系的下一個(gè)超新星爆發(fā)的同時(shí)，我們還有很多工作要做。我們需要改進(jìn)理論建模，來(lái)了解我們可以檢測(cè)到哪些特征。這是一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，你不能錯(cuò)過(guò)?！?/p>

大多數(shù)超新星爆發(fā)因?yàn)榫嚯x地球太遠(yuǎn)，以至于探測(cè)器無(wú)法探測(cè)到其中的中微子。而銀河系附近的超新星爆發(fā)，比如1987A超新星爆發(fā)，平均每半個(gè)世紀(jì)才發(fā)生一次。

但是，如果這樣的超新星爆發(fā)真的出現(xiàn)了，伯格說(shuō)，天文學(xué)家將可以通過(guò)觀察其引力波，“直接窺探爆發(fā)內(nèi)部的情形”。他說(shuō)：“不同的研究小組側(cè)重不同的過(guò)程，這些過(guò)程對(duì)恒星的實(shí)際爆炸都非常重要。另外，這些不同的過(guò)程也具有不同的引力波和中微子特征。”

盡管理論科學(xué)家在超新星爆發(fā)形成的一些最重要因素上已經(jīng)達(dá)成廣泛共識(shí)，但挑戰(zhàn)依舊存在。薩克伯德說(shuō)，特別是，爆炸的結(jié)果“強(qiáng)烈取決”于恒星坍塌之前的核心結(jié)構(gòu)?；靵y的坍塌會(huì)將微小的差異放大，導(dǎo)致各種各樣的結(jié)果。因此，理論科學(xué)家也必須對(duì)恒星坍塌之前的演化做準(zhǔn)確的建模。

其他的問(wèn)題還包括強(qiáng)磁場(chǎng)在恒星核心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)揮的作用。伯羅斯說(shuō)：“很有可能，你會(huì)看到磁場(chǎng)和中微子的混合機(jī)制。中微子從一種類型變成另一種類型的方式，以及這種變化如何影響超新星爆發(fā)等，這些問(wèn)題都有待解決?！?/p>

坦博拉說(shuō)：“我們的模擬中仍然需要加入許多因素。如果明天就會(huì)上演一場(chǎng)超新星爆發(fā)，并且它也符合我們的理論預(yù)測(cè)，那么這或許可以說(shuō)明，我們當(dāng)前沒有考慮到的因素可以被安全地忽略。但如果不是這樣的情況，我們就需要弄清楚原因?！?/p>