超新星爆发背后的神秘物质

北京时间 1 月 25 日消息，据国外媒体报道，1987 年，一颗巨大的恒星在我们的银河系附近爆炸。自从大约四个世纪之前，人类发明望远镜以来，这是最明亮、也是距离地球最近的一次超新星爆发，几乎所有的天文台都把目光聚焦于这次的超新星爆发。也许最令人兴奋的是，一些建造在地底深处的特殊探测器还捕获到从这次爆发中放射出的神秘亚原子：中微子。

▲混乱物质围绕一颗坍缩恒星的中心旋转。蓝色部分表示超新星的冲击波，冲击波在涡流作用下获得额外推力，而中央的高密度核心将继续形成一颗中子星。

1966 年，科学家第一次提出，这些神秘粒子可能是超新星爆发的背后动力。中微子的发现，让多年来一直试图了解超新星爆发内部原理的理论科学家感到欣慰。然而，几十年来，天体物理学家却不断地遭遇一个困境，他们的中微子超新星爆发模型似乎存在致命缺陷。

中微子是出了名的孤傲粒子。在坍缩恒星的极端条件下，中微子究竟是如何将它们的能量转移给恒星的普通物质的，这些问题仍未得到解答。每当理论科学家尝试在计算机模拟中对这些复杂的粒子运动和相互作用进行建模时，超新星的冲击波总不可避免地停止然后回撤。密歇根州立大学的计算天体物理学家塞恩 · 库奇说，一次次地失败 “让我们渐渐开始相信，我们现有的主流超新星爆发理论可能行不通”。

当然，超新星爆发的内部深处到底发生了些什么，一直以来都无人知晓。它好似一口容纳各种极端的大锅，又好似一碗充斥着嬗变物质的汹涌热汤；在这里，我们平日里经常忽略的粒子和作用力变得至关重要。令问题更为复杂的是，爆发内部很大程度上被笼罩在热气云之后，难以看见。普林斯顿大学的天体物理学家亚当 · 伯罗斯研究超新星已有 35 年以上。他说，了解超新星爆发的细节 “一直是天体物理学中尚未解决的核心难题”。

但是，最近几年，理论科学家已经能够锁定导致超新星爆发的异常复杂的机制。伯罗斯在本月的《自然》杂志上写道，超新星爆发模拟已经成为常态，而非例外。多个竞争研究小组的计算机代码现在也逐渐就超新星爆发冲击波的演化达成共识。与此同时，模拟技术到目前为止已经取得了长足进步，甚至可以将爱因斯坦那极其复杂的广义相对论带来的影响也纳入其中。至此，人们终于得以拨开迷雾，尝试了解中微子在超新星爆发中所起的作用。

库奇说：“这是一个分水岭。”他们发现，没有混乱，正在坍缩的恒星或许永远无法变成超新星。

混沌之舞

在恒星一生的大部分时间里，恒星内部核反应所产生的辐射带来的向外推力与恒星的内向引力保持着微妙地平衡。等恒星的燃料耗尽时，内向引力开始占上风。恒星的核心自身开始坍塌（以每小时 15 万公里的速度骤然坍缩），导致温度激增至 1000 亿摄氏度，并将核心融合成一个固态中子球。

恒星的外层会继续向内坍缩，但是当外层撞击到这个不可压缩的中子核时，外层将被弹回，产生冲击波。冲击波若要变为爆炸，必须得有足够的能量向外推动冲击波，帮助其逃离恒星的引力。与此同时，恒星最外层仍在向内坍缩。因此，冲击波还必须冲破这最外层的内向旋涡。

一直以来，科学家对推动冲击波的作用力的理解一直仅限于最模糊的术语。过去几十年，我们的计算机还不够强大，只能运行坍塌核心的简化模型。恒星一直被视为完美的球体，冲击波从中心向每个方向以相同的方式扩散出去。但是，在一维模型下，当冲击波向外移动时，它最终会放缓速度，然后渐渐减弱。

直到最近几年，随着超级计算机的发展，理论科学家才拥有足够的计算能力，可以对大质量恒星以及实现超新星爆发所必需的复杂条件进行建模。眼下最好的模型整合了诸多细节，比如中微子与物质在微观层面的相互作用、流体的无序运动以及物理学多个不同领域（从核物理到恒星演化等等）的最新进展。另外，理论科学家现在每年可以运行多个模拟，他们可以自由地调整模型，并尝试不同的初始条件。

2015 年，库奇和他的合作者迎来了转折点。当时，他们正在运行一个三维计算机模型。该模型模拟了一颗大质量恒星在坍缩最后几分钟时的情形。虽然该模拟仅描绘了恒星生命的 160 秒光景，但它揭示了一种之前未被重视的物质在这个过程中发挥的作用。这种物质让停滞的冲击波变成了真正的爆炸。

隐藏在野兽腹中的粒子杂乱无章地运动着，一片混沌。库奇说：“好似炉子里烧开的水。恒星内部也有这样的剧烈翻滚，每秒速度可达几千公里。”

这种混乱创造了冲击波背后的额外压力，推动冲击波进一步远离恒星核心。距离恒星核心越远，内向引力便越弱，阻碍冲击波的向内坍缩物质也越少。冲击波背后的混乱物质也有更多时间吸收中微子。中微子产生的能量又可以加热混乱物质，继续把冲击波变为爆炸。

多年以来，研究人员一直未能意识到混乱物质的重要性，因为只有三维模型才能揭示其全部的影响。伯罗斯说：“大自然不费吹灰之力就可以做到的事情，我们却需要几十年的时间，从一维到二维再到三维，才能实现。”

▲核心坍缩后的前半秒，混乱物质围绕在超新星核心的周围。在这个模拟中，物质根据熵（一个混乱程度的度量）进行着色。（颜色越深如红色表示熵值更高。）由于混乱物质的存在，爆炸是不对称的。

这些模拟还表明，混乱也会导致爆炸的不对称，使得恒星看上去有点像沙漏。随着爆炸向一个方向散开，物质继续沿着另一个方向朝着核心坍缩，进一步为恒星爆发补充能量。

这些新的模拟让研究人员得以更好地了解，超新星是如何塑造了我们今日所见的宇宙。伯罗斯说：“我们可以获得正确的爆炸能量范围，我们也可以得出恒星爆发后留下的中子星质量。”超新星爆发创造了宇宙中大部分的重元素，如氧和铁等。理论科学家目前也开始使用模拟，来精确预测这些重元素有多少。俄亥俄州立大学的理论和计算天体物理学家塔格尔多 · 萨克伯德说：“现在，我们正着手解决在过去都无法想象的问题。”

下一次爆炸

尽管计算能力呈指数级增长，但超新星爆发模拟仍比太空中观测到的要少很多。哈佛大学的天文学家艾铎 · 伯格说：“二十年前，我们每年大约可以发现 100 个超新星爆发。现在，我们每年可以发现 1 万或 2 万个。”因为我们现在拥有新的望远镜，可以快速、重复地扫描整个夜空。相比之下，我们的理论科学家每年只能进行大约 30 次的计算机模拟。一个耗费数月的模拟，最终也仅能重现几分钟的恒星坍缩。库奇说：“你每天都去查看模型，然后发现只前进了一毫秒。”

新模拟的广泛准确性让天体物理学家对下一次近距离的超新星爆发感到十分兴奋。哥本哈根大学的理论天体物理学家艾琳 · 坦博拉说：“在等待银河系的下一个超新星爆发的同时，我们还有很多工作要做。我们需要改进理论建模，来了解我们可以检测到哪些特征。这是一个难得的机会，你不能错过。”

大多数超新星爆发因为距离地球太远，以至于探测器无法探测到其中的中微子。而银河系附近的超新星爆发，比如 1987A 超新星爆发，平均每半个世纪才发生一次。

但是，如果这样的超新星爆发真的出现了，伯格说，天文学家将可以通过观察其引力波，“直接窥探爆发内部的情形”。他说：“不同的研究小组侧重不同的过程，这些过程对恒星的实际爆炸都非常重要。另外，这些不同的过程也具有不同的引力波和中微子特征。”

尽管理论科学家在超新星爆发形成的一些最重要因素上已经达成广泛共识，但挑战依旧存在。萨克伯德说，特别是，爆炸的结果 “强烈取决”于恒星坍塌之前的核心结构。混乱的坍塌会将微小地差异放大，导致各种各样的结果。因此，理论科学家也必须对恒星坍塌之前的演化做准确的建模。

其他的问题还包括强磁场在恒星核心旋转过程中发挥的作用。伯罗斯说：“很有可能，你会看到磁场和中微子的混合机制。中微子从一种类型变成另一种类型的方式，以及这种变化如何影响超新星爆发等，这些问题都有待解决。”

坦博拉说：“我们的模拟中仍然需要加入许多因素。如果明天就会上演一场超新星爆发，并且它也符合我们的理论预测，那么这或许可以说明，我们当前没有考虑到的因素可以被安全地忽略。但如果不是这样的情况，我们就需要弄清楚原因。”

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