在实验室中模拟超新星爆炸

在实验室中模拟超新星爆炸
2020年09月24日 10:36 环球科学
 天鹅圈星云中,超新星爆发5000年后,仍残留有紫外光下可见的气体和尘埃细线。
 天鹅圈星云中,超新星爆发5000年后,仍残留有紫外光下可见的气体和尘埃细线。

  当一颗恒星走到生命周期的尽头发生爆炸时,就会像画笔一般把原本熔铸在自身核心的元素抛洒向广阔的宇宙空间。超新星的遗骸(包括气体与尘埃)在抛洒的过程中所产生的细微结构,在很长一段时间内都困扰着天文学家。更麻烦的是,在银河系中,一个世纪内仅出现一两次超新星事件,发生前通常也没有什么征兆。因此,要想研究超新星爆炸的最初时刻,是一件十分困难的事。研究人员希望通过模型模拟这个过程,但是由于算力限制,他们还得事先提供相关细节的假设。

  美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员希望使用一种新型实验改变现状。这个实验试图发现超新星事件中气体潜在的混合方式,以此确认并进一步帮助修订先前的假设。他们使用了一种楔形设备(有时也被他们称作“超新星披萨片”),设备顶部约1.2米宽,厚度相当于常见的双开门,内部装有两种分离的惰性气体。这样的形状有助于重建在宇宙空间中,一个圆柱体或是球体的切面表现出的动力学过程。团队在楔形顶点处引爆商用雷管,模拟超新星的中心,爆炸产生的冲击波则会使两种气体混合。与此同时,一台高速相机会以0.1毫秒的间隔拍下整个过程,以此模拟超新星爆炸后一小时内的过程。在今年6月的《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)上,科学家详细描述了这项实验。

  研究团队将视线对准两种气体相遇的界面,观察到了爆炸产生的冲击波如何将界面上微小的扰动放大,形成飞速增大的蘑菇云状扰动。当气体发生卷曲后,就会产生湍流,最终分别形成低密度的气泡和高密度的尖峰。如果气体尖峰移动速度足够大,还会折断,当然它也会像加速的子弹一样,穿透好几层气体。

  令研究人员感到困惑的是,超新星爆炸时,来自核心的重元素的表现却与气体尖峰相似。加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台的超新星理论学家安东尼·皮罗(Anthony Piro,并未参与这项研究)表示:“目前我们并不清楚,重元素的行为是由爆炸固有的不对称性引发的,还是由湍流引发的。”虽然新研究已经表明了湍流能造成多么强烈的影响,但是科学家仍需进一步确认这项模型的局限性。

  皮罗介绍说,为了免除长达数周的额外计算时间,大部分超新星模型都包含一些基本假设,设定好了模型在较小尺度下的条件。这项全新的研究则可以评估过去的假设。美国密歇根大学的物理学家卡洛琳·库兰兹(Carolyn Kuranz,并未参与这项研究)表示:“如今科学家已经能在不同级别的小尺度上,观察微观结构的演化过程。”这项实验创建出的结构也类似于库兰兹在研究等离子体混合时观察到的现象。她说:“理论曾预测这两者应该是类似的,现在的实验也证明了它们的相似性。”

  皮罗认为,这项实验能为关于超新星的“大量物理学问题提供惊人的证据”。他说,这不仅有助于校准自己正在研究的模型,还能让其他科学家更好地理解相关的观测结果。

  科学家构建超新星模型的过程一直受到重重挑战。地球上的重力远小于一颗濒死的恒星,而小小的商用炸药产生的能量也与恒星爆炸相去甚远。但是“即便爆炸事件被弱化了,我们需要应对的其他问题也同样被弱化了,因此比例应该是一致的。”佐治亚理工学院的研究生本杰明·穆西(Benjamin Musci)表示,他正是这篇论文的第一作者。

  穆西还说,防止气体在实验器具的边缘发生反弹,是一场“漫长而艰难的战斗”,因为宇宙中很显然不存在这种情况。他们几乎花了一年时间才找到解决方案,而这种方案竟然出乎意料地简单:在边壁上砌满用在电脑包装中的填充泡沫。这种材料能吸收气体,从而阻止气体反射。“填充的泡沫经常会被爆炸的冲击波吹成碎片,拖延我们的实验进度。”但他也表示, “如果不用泡沫填充,整个物理过程就会发生改变。”

  另一个令科学家担心的问题在于模拟的维度。皮罗指出,气体在二维空间的扩散行为与在三维空间不同,三维空间中会产生更大的涡流,因此需要更长的时间拆解其中的结构变化。这也是研究人员在未来工作中可能需要解决的问题。

  佐治亚理工学院的天体物理学家德韦什·兰詹(Devesh Ranjan,这项研究的主要负责人)介绍说,此前的超新星实验都是在更大尺度上进行的。比如,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)就将数十道激光瞄准到一枚铅笔橡皮擦大小的材料上,使其升华诱发爆炸。兰詹表示,规模越大的实验能获取的图像越少,只能瞥见结构生成的一瞬间。“超新星披萨”则能在气体混合的几秒钟截取200张图像。兰詹说:“我们的实验能提供整个过程的动态视图。结合两种尺度的实验,应当能让我们看到一些共通之处,知道真实的超新星事件中发生了什么。”

  在此之前,从未有过同类型的实验。皮罗对此并不感到惊讶:“必须是掌握各种不同实验技术的专家才能整合并完成这项实验。这个团队在实验室中解决问题时表现出的创造性实在令人鼓舞,这一点是不容低估的。”

  将这项研究与超新星演化的模型相结合,再加入针对超新星不同层面的研究,或许有助于研究人员弄清一些在真实的超新星爆发时无法观察到的细节。库兰兹评价说:“如果以找到通用模型为总体目标,那么利用这些实验,尤其是在不同尺度和不同条件下的实验,就能推动实现目标。”

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