全球首次終于實現(xiàn)“超超新星”三維模擬，比超新星還亮100倍！

【手機軟件：博科園】在20世紀的大部分時間里，天文學家們一直在天空中搜尋超新星及其超新星遺跡（超新星是大質(zhì)量恒星的爆炸性死亡），以尋找關(guān)于恒星前身、導(dǎo)致其爆炸的機制以及在此過程中產(chǎn)生重元素的線索。事實上，這些超新星事件創(chuàng)造了宇宙中大多數(shù)宇宙元素，這些元素繼續(xù)形成新的恒星、星系和生命。因為沒有人能真正近距離看到超新星，研究人員依靠超級計算機模擬，能夠深入了解引發(fā)和驅(qū)動超新星爆炸的物理機制。

現(xiàn)在，有史以來第一次，一個國際天體物理學家團隊模擬了超超新星的三維(3-D)物理，其亮度大約是典型超新星的100倍。使用勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的Castro代碼和國家能源研究科學計算中心(NERSC)超級計算機實現(xiàn)了這一里程碑，其研究成果發(fā)表在《天體物理學》期刊上。天文學家發(fā)現(xiàn)，當一顆磁星（一顆磁場比地球強數(shù)萬億倍）位于年輕的超新星中心時，這些超超新星事件就會發(fā)生。

圖示：從3D模擬中得到的磁星驅(qū)動超超新星的星云相；目前，超新星噴出物已經(jīng)膨脹到與太陽系相似的大?。粐姵鑫锏膬?nèi)外區(qū)域都出現(xiàn)了大范圍混合；得到的光曲線和光譜對混合很敏感，這取決于恒星結(jié)構(gòu)和磁星的物理性質(zhì)。

磁星釋放的輻射放大了超新星光度，但要了解這是如何發(fā)生的，研究人員需要多維模擬。研究的主要作者、臺灣中央研究院天文與天體物理研究所(ASIAA)的天體物理學家陳肯(Ken Chen)表示：要對磁星驅(qū)動的超超新星進行3-D模擬，需要大量的超級計算能力和正確的代碼，一個能夠捕捉相關(guān)微物理的代碼。在三維中捕捉這些超超新星事件流體不穩(wěn)定性所需的數(shù)值模擬非常復(fù)雜。需要大量的計算能力，這就是為什么以前沒有人做過這項研究。

流體不穩(wěn)定性在隨處可見，例如，如果你有一杯水，在上面放一些染料，水的表面張力就會變得不穩(wěn)定，較重的染料就會沉到底部。由于兩種流體互相流過，這種不穩(wěn)定性的物理現(xiàn)象不能在一維空間中捕捉到。需要垂直于高度的第二個或第三個維度才能看到所有的不穩(wěn)定性。在宇宙尺度上，導(dǎo)致湍流和混合的流體不穩(wěn)定性在星系、恒星和超新星等宇宙物體的形成中起著關(guān)鍵作用，這需要以極高的分辨率，捕捉一系列尺度上的物理現(xiàn)象。

圖示：超速超新星內(nèi)部磁氣泡的湍流核心，顏色編碼顯示密度，磁星位于這張圖像的中心，從它發(fā)射出兩個雙極流出，外流的物理大小約為1萬公里。

從非常大到非常小，才能準確地建模像超光速超新星這樣的天體物理對象。這給天體物理學家?guī)砹思夹g(shù)挑戰(zhàn)，研究能夠通過一個新的數(shù)值方案和NERSC的數(shù)百萬個超級計算小時來克服這個問題。在這項研究中，研究人員模擬了一個大約150億公里寬的超新星遺跡，里面有一個直接10千米的磁星。在該系統(tǒng)中，模擬結(jié)果表明，在殘余物中形成了兩種尺度的流體動力不穩(wěn)定性。一種不穩(wěn)定是在磁星提供能量的熱泡中，另一種是年輕超新星正激波撞擊周圍氣體時發(fā)生的。

這兩種流體不穩(wěn)定性導(dǎo)致的混合，比通常在典型超新星事件中發(fā)生的更多，這對超超新星的光曲線和光譜有重大影響。所有這些都不會在一維模型中被捕捉到，這兩種情況都不會發(fā)生在典型的超新星事件中。研究還發(fā)現(xiàn)，磁星可以將年輕超新星拋出的鈣和硅元素，加速到每秒12000公里的速度，這解釋了在光譜觀測中發(fā)射線加寬的原因。即使來自弱磁星的能量，也可以將位于超新星遺跡深處的鐵族元素加速到每秒5000到7000公里。

圖示：超超新星內(nèi)部磁氣泡的湍流核心，顏色編碼顯示密度，磁星位于這張圖像的中心，強湍流是由中心磁星的輻射引起。

這就解釋了為什么在SN1987A這樣的核心塌縮超新星事件中很早就觀察到了鐵，這在天體物理學中是一個長期存在的謎團。該研究團隊是第一個在三維中準確模擬超速超新星系統(tǒng)的人，因為很幸運能接觸到NERSC超級計算機，這個設(shè)施是做尖端科學極其方便的地方。

博科園｜研究/來自：美國國家能源研究科學計算中心

參考期刊《天體物理學》

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