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如何炸开一颗星星

发布于:2018-05-14   

Janka说,解决这个难题 - 并且理解颗粒汤在恒星的心脏中的动态 - 对于研究原子元素的形成以及它的丰富程度至关重要。它也可以帮助确定一颗恒星何时会坍缩成更奇特的东西,比如黑洞。 Janka说:“如果不解读爆炸物理学,这些问题就不会被理解。还有另一个原因是模型研究人员解决了这个问题,Sean Couch补充说,他是东兰辛密歇根州立大学的计算天体物理学家。 “我认为,如果你滔滔不绝地说出真相,我们真的很喜欢吹东西,”他说。

但纽约大学天体物理学家Maryam Modjaz说,造成恒星爆炸的原因已经持续了半个多世纪,因为这几乎是难以置信的 - 而且电脑还没有足够强大来解决这个问题。 “这是我们可以建模的最复杂的系统之一,”她说。从表面上看,每一个尺度的物理都起了作用,从时空弯曲到中微子的粒子物理以及在极端压力下的物质行为。进入今天模拟的状态,以及关于核心崩溃爆炸如何发生的仍然试探性的解释是一个长达数十年的日益复杂的故事,这个故事开始于看起来不像星星的东西:简单的一维模型。

虽然相当粗糙,但这些模型揭示了核心崩溃超新星的第一个重要成分:通过新形成的中子星中的粒子相互作用产生的中微子。几乎无质量的中微子几乎不能与其他粒子接触。但是在1966年,理论家们计算出,如果它们的能量的一小部分被核心周围的密集物质吸收,热量就足以重新激发冲击波并将其驱散4。有利于这个想法的证据可能会因幸运休息而得到支持。 1982年,当时在加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的计算物理学家詹姆斯威尔逊留下了一个模拟运行过夜 - 有人说意外。他回过头来发现,经过一段时间后,足够的中微子已经扩散出中子星,在冲击波背后加热物质,并将其驱逐出恒星。在那之前,物理学家还没有意识到停滞的波浪可能会复活。 Mezzacappa说:“如果模特不在这么晚的时候,我们就不会看到它。

中微子加热成为该领域研究的主要焦点,但模拟越详细,起始恒星质量越大,建模者看到的爆炸越少。尽管中微子把星星推到了边缘,但很明显他们需要一个帮助。

完整的烟花

1987年,当天文学家在附近的一个星系 - 大麦哲伦星云中观测到超新星时,1987年的第一个线索是什么可能提供这种提升。当时,1D模型必然假定恒星是完美的球体,由同心层的融合元素组成,包含的动力学可以用一个坐标捕获:距离中心的距离。但超新星1987A发现的元素混杂在一起表明层必须混合,这是一个不可能在一个维度上描述的动态过程。

随着20世纪90年代功能更强大的计算机的出现,模型制作人员能够通过从1D模拟到2D模拟来捕捉这一动作。在二维空间中,中微子加热就像一锅水下的炉火一样,产生对流和紊流,搅动颗粒物加热的新鲜物质,增强冲击波背后的压力。而在2003年,Mezzacappa的研究小组发现,冲击波中的扰动可能迅速增长为大的晃动运动和剧烈的旋转 - 被称为站立增生震动不稳定性(SASI)。这些运动充电冲击波并帮助恒星爆炸。

尽管如此,物理学家担心他们在二维渲染恒星方面的妥协可能会人为地增加爆炸的可能性。事实上,在计算能力使得2010年初可行的粗糙三维模型可行的时候,这些模型再次“不愿意爆炸”,澳大利亚墨尔本莫纳什大学的计算天体物理学家BernhardMüller说,他是Janka团队的一员,直到2014年。直到2012年更快的超级计算机出现后,研究人员开始能够将广义相对论和详细的核物理和粒子物理学融合在一起,以便从零开始的模型中获得3D星星开始吹袭。

Janka说,达到这个里程碑让人信服中微子加热,对流和SASI振荡是在爆炸背后的假设。自2015年以来,全球各地的团队 - 包括位于帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院(加州理工学院),新泽西州普林斯顿大学,密歇根州立大学和日本福冈大学的团队都开始研究3D模型。这些模拟的很大一部分以爆炸结束(参见'爆炸虚拟星')。这种趋势需要持续不同的群众和初始结构的一系列恒星来证明物理学家理解这种机制,但穆勒乐观。他说:“我们似乎正在朝着解决这一震荡复苏问题的解决方案迈进。”

其他人则更加怀疑。在相对较小的恒星中,冲击波更容易出现。当2015年Janka的团队试图在2015年爆炸一个更大的三维恒星时(一个是20倍而不是太阳质量的10倍),他们成功的原因仅仅是因为他们将中微子的一个相互作用率推到了最低水平,即粒子物理学的误差棒允许。今天的模拟,使用更现实的初始条件,仍然不舒服地接近爆炸和溅出之间的临界点,没有人确定为什么。 “从本质上讲,这些东西一直在强劲爆炸,”Couch说。模型不愿意这么做的原因是“可能告诉我们,我们不是用我们包含的物理学来准确地完成它,或者我们错过了物理学。

解决方案是不断构建更丰富的模型。但在今天的超级计算机上 - 这种超级计算机可以同时运行数以万计的先进家用计算机 - 这一过程仍需数月时间,建模人员必须进行近似和简化。未来几年升级到美国,欧洲和日本的超级计算机将使三维爆炸的运行时间缩短到几周。但即便如此,Mezzacappa表示​​,通过考虑到物理学的全面补充的3D模拟,计算机的功率需要提高100倍。他说,这样的电脑可能还有十年之久。

与此同时,物理学家正专注于调整他们的模型,看他们是否能研究出三种主要因素 - 中微子加热,对流和SASI振荡 - 如何相互作用,以及是否有其他人可能会失踪。有些人正在探索旋转和磁场是否有助于加速爆炸。其他人则基于更真实的恒星模型,从一开始就内置扰动。但是,模拟比较是困难的。每个组的模型不仅包含不同的物理学,还包括不同的快捷方式,分辨率和像素几何 - 所有这些都会影响结果。队伍狠狠地捍卫自己的选择。 “我会去参加会议,来自不同团体的人几乎都在互相争斗,每个人都说'我的代码更好',”Modjaz说。 “没有办法告诉,因为他们不会公布他们的代码或以常规方式比较它们。”

Modjaz说,现在团队意识到为了取得进展,他们可能需要找到进行比较的方法。新一代模型制作人员,包括斯德哥尔摩大学的Couch和Evan O'Connor,率先发布了代码并鼓励其他人也这样做。 Janka提倡创建一套标准化的测试问题,具有相同的定义明确的成分和初始条件,以供整个领域使用。 “我认为这将是社区下一步非常重要的一步,以提高其可信度和结果的可靠性,”他说。

核心问题

真正的考验将是这些爆炸是否与自然界中的爆炸实际相似。模型现在已经足够复杂了 - 而且计算能力足够强大 - 可以在冲击波形成之后的第一分之一秒之内运行模拟,当冲击波在数小时后最终突破恒星表面时。然后可以将这些模型产生的超新星形状,能量和化学成分的预测与真实恒星的爆炸外层以及剩余核心的运动进行比较。

但是研究恒星表面的光线 - 以及几个世纪以来一直流传的幽灵般的光线 - 只能提供关于爆炸的有限信息。 “这就像去皮肤科医生询问你的心脏,”Couch说。通过物质相对不受阻碍地穿过物质的中微子和引力波可以让天文学家深入恒星的内部。 1987年,三颗中微子探测器捡到了超新星1987A发射的25颗中微子。在此后的几十年里,随后的探测器 - 例如南极的IceCube和日本的Super-Kamiokande - 已经建成,可能对附近超新星释放的数以万计的中微子敏感。例如,当这种爆炸的中微子到达地球时,它们的能量,丰度和排放速率可以揭示中子星的大致程度和紧凑程度,以及它在崩溃后继续积聚的质量。任何SASI抖动都会引起中微子发射的上升和下降,并且在信号中出现振荡。 “你可以为超新星内部发生的事情制造直接吸烟枪,”穆勒说。

通过中微子探测超新星的价值非常高,以至于一次只能在探测器的一部分上完成对IceCube的升级,以便它不会错过一生一次的事件。迄今为止在我们银河系发现的最年轻的超新星遗迹约有150年历史,但研究人员认为,认为下一次爆发“逾期”是统计学上的错误。 “没有人能告诉你什么时候会发生,所以你必须始终保持警惕,”扬卡说。

如果天文学家获得幸运,美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)及其意大利比萨附近的姐妹天文台处女座也应该能够观测到爆炸事件,尽管信号预计不会像那些到目前为止发现的黑洞和中子星合并。加州理工学院的物理学家Sarah Gossan和LIGO团队的成员说,需要仿真来帮助找到噪声中微弱的信号并破译其包含的信息。 “我们可以从我们的观察结果中通知模拟结果,反之亦然,”Gossan说。

为了准备这些事件,像Janka这样的建模者需要模拟数十个不同的3D星体。十月,他的团队在一个特别复杂的模型上点燃了导火索 - 这是一颗19颗太阳能质量的恒星,他们的最后一分钟模拟也可以在尽可能杂乱和现实的条件下开始崩溃。至少在七月之前,他们是否会发现它是否会受到打击。但是“现在”,他说,“我们很习惯耐心”。

Nature 556,287-289(2018)

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