不對(duì)稱(chēng)爆炸：通往超新星王國(guó)的密鑰

楊曉梅

多年來(lái)，加州理工學(xué)院和其他科研機(jī)構(gòu)通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測(cè)II型超新星的內(nèi)核在爆炸前改變了形狀，從完美對(duì)稱(chēng)的球體變得搖擺傾斜，充斥著一股股熾熱的氣浪，碎片和恒星的內(nèi)核向相反的方向飛散。同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬證明，完美球體內(nèi)核的模型是失敗的，不會(huì)引起爆炸。

最近，美國(guó)航空航天局通過(guò)核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)超新星1987A的殘余物進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果支持了這一推測(cè)。研究人員在殘余物中檢測(cè)到了放射性鈦-44，它是II型（又叫作核塌縮型）超新星爆炸初期的標(biāo)志性能量產(chǎn)物。

“鈦-44是不穩(wěn)定的，它逐漸衰退，最終變成鈣?！奔又堇砉W(xué)院的知名物理學(xué)教授、核光譜望遠(yuǎn)鏡的重要研究人員菲奧娜·哈里森指出，“鈦-44以固定的能量級(jí)發(fā)射出伽馬射線(xiàn)，能被核光譜望遠(yuǎn)鏡捕捉到?！?/p>

通過(guò)對(duì)鈦-44的多普勒頻變（即能量沿某一方向傳播頻率的變化）的分析，哈里森與其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大部分物質(zhì)正遠(yuǎn)離核光譜望遠(yuǎn)鏡的觀察區(qū)域。此項(xiàng)研究的詳細(xì)結(jié)果發(fā)表于2015年5月8日的《科學(xué)》雜志，有力地證明了II型超新星的爆炸機(jī)制來(lái)自其自身的不均衡性。

之后，研究人員通過(guò)核光譜望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了另一顆名為仙后座A的超新星，并創(chuàng)建了其殘余物的鈦-44圖譜。盡管不像1987A那樣明顯，但研究人員同樣發(fā)現(xiàn)了不均衡爆炸的跡象。

1987年，距離地球16.8萬(wàn)光年的一顆藍(lán)色超大恒星的爆炸光到達(dá)地球，天文學(xué)家第一次觀測(cè)到超新星1987A。對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重大事件，1987A不僅是數(shù)百年來(lái)探測(cè)到的距地球最近的超新星，它的發(fā)現(xiàn)還標(biāo)志著第一次從除太陽(yáng)系以外的宇宙空間中探測(cè)到中微子。

中微子是幾乎沒(méi)有質(zhì)量的亞原子粒子，在恒星的II型爆炸過(guò)程中會(huì)大量產(chǎn)生。在觀測(cè)1987A爆發(fā)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中微子，為超新星的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制提供了部分基礎(chǔ)理論。

最新的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列使1987A再次成為研究恒星消亡之謎的天然實(shí)驗(yàn)室。哈里森強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“如果是對(duì)稱(chēng)球體，內(nèi)核就不會(huì)爆炸。實(shí)驗(yàn)證明，不對(duì)稱(chēng)才會(huì)使得恒星爆炸?！?/p>

在計(jì)算機(jī)模擬中，恒星內(nèi)核吸收的中微子引起了亂流，進(jìn)而使恒星的球體形狀發(fā)生改變?！皝y流最終產(chǎn)生一股強(qiáng)大沖擊波，引發(fā)爆炸?！笨死锼雇　W特指出。他是加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)教授，但沒(méi)有參與核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列的觀測(cè)。

奧特的團(tuán)隊(duì)使用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)II型超新星進(jìn)行了多次三維模擬，每次模擬會(huì)產(chǎn)生數(shù)百太字節(jié)的數(shù)據(jù)（美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館所有的藏書(shū)大約為10太字節(jié)），但這只是超新星爆炸過(guò)程中的十分之幾秒。

奧特指出，如果能對(duì)II型超新星不對(duì)稱(chēng)的本質(zhì)有更多了解，就能解開(kāi)恒星消亡的最大謎團(tuán)之一：為什么有些超新星退化成中子星而有些成為宇宙中的奇點(diǎn)——黑洞。我們可以說(shuō)，是超新星內(nèi)部的極度不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生了雙重效果：一個(gè)方向的星體出現(xiàn)爆炸，而剩余部分在其他方向繼續(xù)衰退。奧特說(shuō)：“這種情況下，也許會(huì)發(fā)生爆炸，但是最終出現(xiàn)的是黑洞而不是中子星?！?/p>

核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列的觀測(cè)結(jié)果會(huì)有助于升級(jí)以后的激光干涉引力波天文臺(tái)的工作，幫助其成功探測(cè)到來(lái)自超新星的引力波。激光干涉引力波天文臺(tái)將于2015年下半年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。引力波是穿過(guò)宇宙物質(zhì)的一種微弱波，理論上II型超新星應(yīng)該發(fā)射出引力波，但只有在爆炸不均衡的情況下才可以。

直到目前，加州理工學(xué)院對(duì)超新星的理論研究和實(shí)際觀察仍是兩個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域，哈里森和奧特計(jì)劃將其結(jié)合在一起，用核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列的觀測(cè)結(jié)果來(lái)優(yōu)化計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程。哈里森說(shuō)：“我們兩人將通力合作，力圖得到更為準(zhǔn)確的模型，來(lái)解釋我們觀測(cè)到的1987A和仙后座A到底發(fā)生了什么。”