驚天一爆超新星-科學人雜誌
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驚天一爆超新星

2006/11/10 希勒布蘭特(Wolfgang Hillebrandt)、詹卡(Hans-Thomas Janka)、繆勒(Edwald Mller)
恆星爆炸形成超新星而死亡,是科學界最富戲劇性的事件之一。理論模型一直無法再現這類驚天動地的爆炸,一直到最近終於有了突破,靈感竟然來自汽車引擎。

重點提要

恆星爆炸形成超新星而死亡,是科學界最富戲劇性的事件之一。理論模型一直無法再現這類驚天動地的爆炸,一直到最近終於有了突破,靈感竟然來自汽車引擎。
最近的電腦模擬顯示,在爆炸後10秒鐘,熱核反應的烈焰就差不多將白矮星焚燒殆盡了。

公元1572年11月11日,丹麥貴族天文學家第谷(Tycho Brahe)發現仙后座裡多了一顆新生的星星,跟木星一樣亮。從許多方面看來,這個新的天體代表了現代天文學的誕生──這是個耀眼的反證,推翻了星空永遠固定不變的信念。這種「新星」一直不斷為我們帶來驚奇。400多年後的天文學家,理解到像這樣一顆新星的光芒,會短暫超越億萬顆尋常恆星的發光總和,所以必定發生了驚天動地的大爆炸。1934年,美國加州理工學院的茲威基(Fritz Zwicky)替它們取名為「超新星」。它們是科學界已知最富戲劇性的事件之一,此外,超新星在宇宙裡以及天文學家的研究中,扮演了特殊的角色:它在太空中灑下重元素的種子、影響星系的形成與演化,甚至可做為宇宙膨脹的標誌。

茲威基和同事巴德(Walter Baade)懷疑超新星爆發的能量來自重力。他們認為,正常的恆星必須在其核心密度增加到與原子核密度相當時,才會爆炸。就像易碎的花瓶落在堅實的地板上一樣,崩塌的物質釋放出大量的重力位能,把整個星體炸得粉碎。另一種想法出現在1960年,當時英國劍橋大學的霍伊爾(Fred Hoyle)與美國加州理工學院的佛勒(Willy Fowler)認為這類爆炸像是巨大的核彈。當類似太陽的恆星接連用光了它的氫燃料及氦燃料後,便轉而燃燒自身的碳與氧。這些元素的融合反應不僅釋放出極大的能量,還會產生放射性鎳56,而其逐漸衰變的過程恰可解釋在初始爆炸發生後,為何超新星還能夠閃耀餘暉達數月之久。

這兩個想法都已經獲得了證實。在所有光譜不含氫的超新星(分類為第I型)中,大部份(Ia型)是熱核爆炸引起的,其餘的(Ib和Ic型)則是恆星塌縮而將外層的氫丟出的結果。光譜中含有氫的超新星(分類為第II型)也被認為起因於重力塌縮。這兩類機制都把整個恆星縮減成氣殼狀的碎片,而且重力塌縮事件會遺留下密度超高的中子星,在一些比較極端的狀況下,甚至會留下黑洞。觀測的結果,特別是對超新星1987A(屬於第II型)所做的觀測,已經支持這個基本理論圖像。

第谷超新星是著名的丹麥天文學家第谷在1572年所觀測到的一次熱核爆發。







即便如此,解釋超新星爆發對天文物理學家而言,仍是個深具挑戰的工作。電腦模擬要再現這些爆炸時就遭遇了麻煩,更別說想了解它們的詳細性質。恆星要爆炸是件極度困難的事,因為它們會自我調整,讓自己盡量保持在非常穩定的狀態,長達億萬年之久。即使是已死或瀕死的恆星,也具有調節機制,使它們逐漸枯竭而亡,而非一下子就炸得粉身碎骨。天文學家要了解恆星是如何克服這些機制而成為超新星,必須利用多維度的模擬,而這種模擬已逼近甚至超過了現今電腦的能力極限。直到最近,這個困境才有所改善。

引爆恆星可不容易

諷刺的是,那些被認為是Ia型的超新星爆發,往往是穩定性的楷模──白矮星。白矮星是類似太陽的恆星在死亡後所留下恆久不變的殘骸。如果不去特意干擾,它將會或多或少保持其誕生時的狀態,逐漸冷卻,然後黯淡下來。但是霍伊爾與佛勒卻認為,假如白矮星旁邊有另一顆恆星非常靠近地環繞著它,它可能會從這顆伴星上吸積物質,增加自身的質量,使中心變得更緊緻,直到密度與溫度高得足以爆炸性地融合碳與氧。

熱核反應應該和一般的火焰一樣,燃燒的火舌會橫掃整個星球,留下一堆核子灰燼(主要是鎳)。在任何時刻,融合反應都可於微小的空間內進行,而且最可能發生於漂浮在白矮星內部深處佈滿灰燼的泡泡表面。因為它們的密度較低,這些泡泡會試著浮升至星球的表面──正如同氣泡處在一鍋沸騰熱水中的行為。

這個圖像也有點不合理,因為熱核之火應該不致於燎原。能量釋放出來後,星球理當膨脹冷卻,而使火苗熄滅。普通的炸彈有密封的外殼保溫,所以不會自己熄滅,但是白矮星沒有這種東西。

除了上述這個理論上的絆腳石外,現實上也有麻煩:沒有一個實驗室有能力從事再現超新星爆發條件的實驗,而且觀測也受限於自身的極限。天文物理學家所能做的最佳方法是在電腦上模擬爆炸,這可是個重大工程。目前最精準的模擬是由我們團隊所主導,使用一部IBM p690的超級電腦,將星球每邊分成多達1024個格子來計算,精密度可達幾公里。執行一回模擬需要好幾次數量級高達1020的運算,而對於如此複雜的問題,超級電腦的能力是一秒做完幾個1011的運算,總計下來,如果同時使用60部超級電腦,也得花上大約一年。在其他科學領域中用來簡化模擬的運算技巧,並不適用於超新星,因為它牽涉到高度不對稱流動、極端的條件,以及廣大的時間與空間尺度範圍。個別而論,粒子物理、核物理、流體力學與廣義相對論本身就已夠繁複了,而超新星的模擬必須同時考慮所有這些複雜的物理機制。

答案就在汽車引擎裡

解決之道來自於一個意想不到的角落:汽車引擎的物理學。在引擎內混合汽油與氧氣然後點火,會產生紊流。然後,紊流不規則地拉扯火焰,增加其表面積。燃料消耗率正比於火焰表面積,所以燃料消耗得更快了。恆星也可視為自然的紊流系統。由於氣體高速運行很長的距離,一個輕微的擾動就能馬上將平順的流體轉變成紊流。在超新星裡,上升的熱泡泡會攪動物質,在恆星還來不及反應時,便把核子燃燒迅速地散播出去。

在運轉良好的內燃機裡,受限於熱在物質中的擴散速率,火焰只能以次音速傳播,此過程稱為爆燃。而在一具運轉不正常而發出爆震聲的引擎裡,震波會通過燃料與氧化劑的混合物並壓縮它,驅動火焰以超音速傳播,此過程稱為爆震。星球內的熱核火焰可同樣以這兩種方式傳播。爆震作用較為劇烈,會比較徹底地焚燒星體,僅遺留下最高度融合的元素,例如鎳與鐵。但是天文學家卻在這些爆炸裡,偵測到許多不同的元素,包括矽、硫與鈣等。這些東西暗示著,至少在最初階段的核子燃燒是以爆燃的方式傳播。

蟹狀星雲是1054年所觀測到的一個核崩塌型超新星的氣態殘骸。其中心有顆中子星不斷噴出粒子,導致氣體發光(藍色)。





過去幾年,我們的團隊,以及加州大學聖克魯茲分校與芝加哥大學的團隊,終於做出有說服力的熱核爆燃模擬。我們犀利的電腦程式,利用了為化學燃燒甚至氣象研究,而發展出來的方法。由於紊流本身是個三維的過程,在紊流瀑布裡,動能尺度不斷縮小,最終因耗散而變成熱。換句話說,氣流變得越來越精微細緻。因此電腦模擬也必須能演算三個維度,該項技術直到最近才成熟。

全維度模擬超新星,揭露了其複雜的蕈狀結構:在層狀流體中浮升的熱泡泡,被紊流不斷地擠皺與拉扯。紊流促使融合反應加速,造成白矮星在短短幾秒內便瓦解湮滅。其灰燼殘骸以每秒一萬公里的高速膨脹擴散,大致符合觀測的結果。

雖說如此,仍有許多問題縈繞無解。我們完全不知道最初白矮星是怎麼點燃的,還有,爆燃應會使得大部份的白矮星以原來的組織樣貌被彈射出來,但觀測卻告訴我們,最多只有一小部份的原始星體結構能留存下來。因此,整個爆發事件絕非單純的爆燃,一定有牽涉到一些爆震作用。理論學家尚不能解釋兩種機制如何同時進行,也無法解釋爆炸型態的變化。白矮星的吸積作用很可能不是引爆Ia型超新星的唯一方法,或許兩顆白矮星的合併也會造成超新星爆發。

另一種可能:星核崩塌

起源於星核崩塌的另一主要類型超新星,就更難解釋了。從觀測上來說,這一類事件比熱核型超新星還來得變化多端:有些含氫,有的不含氫;有些爆發轉化成緻密的星際環境,有些則近乎隱匿無蹤;有些會彈射出放射性鎳,有的則不會。爆發的能量與膨脹速度的變化範圍很大。威力最強的事件除了產生傳統的超新星爆炸外,也會衍生出長週期的γ射線爆發。這種異質性只是一大堆謎團其中之一。核崩塌是產生像金、鉛、釷與鈾等最重的元素之主要機制,這些元素只會在特定的條件下產生。但是,沒有人知道那些特定的條件是不是真的會在星核崩塌時發生。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2006年第57期11月號】


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