全球首次：终于实现“超超新星”三维模拟，比超新星还亮100倍
在20世纪的大部分时间里 ， 天文学家们一直在天空中搜寻超新星及其超新星遗迹（超新星是大质量恒星的爆炸性死亡） ， 以寻找关于恒星前身、导致其爆炸的机制以及在此过程中产生重元素的线索 。 事实上 ， 这些超新星事件创造了宇宙中大多数宇宙元素 ， 这些元素继续形成新的恒星、星系和生命 。 因为没有人能真正近距离看到超新星 ， 研究人员依靠超级计算机模拟 ， 能够深入了解引发和驱动超新星爆炸的物理机制 。
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现在 ， 有史以来第一次 ， 一个国际天体物理学家团队模拟了超超新星的三维(3-D)物理 ， 其亮度大约是典型超新星的100倍 。 使用劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的Castro代码和国家能源研究科学计算中心(NERSC)超级计算机实现了这一里程碑 ， 其研究成果发表在《天体物理学》期刊上 。 天文学家发现 ， 当一颗磁星（一颗磁场比地球强数万亿倍）位于年轻的超新星中心时 ， 这些超超新星事件就会发生 。
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图示：从3D模拟中得到的磁星驱动超超新星的星云相；目前 ， 超新星喷出物已经膨胀到与太阳系相似的大小；喷出物的内外区域都出现了大范围混合；得到的光曲线和光谱对混合很敏感 ， 这取决于恒星结构和磁星的物理性质 。
磁星释放的辐射放大了超新星光度 ， 但要了解这是如何发生的 ， 研究人员需要多维模拟 。 研究的主要作者、台湾中央研究院天文与天体物理研究所(ASIAA)的天体物理学家陈肯(KenChen)表示：要对磁星驱动的超超新星进行3-D模拟 ， 需要大量的超级计算能力和正确的代码 ， 一个能够捕捉相关微物理的代码 。 在三维中捕捉这些超超新星事件流体不稳定性所需的数值模拟非常复杂 。 需要大量的计算能力 ， 这就是为什么以前没有人做过这项研究 。
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流体不稳定性在随处可见 ， 例如 ， 如果你有一杯水 ， 在上面放一些染料 ， 水的表面张力就会变得不稳定 ， 较重的染料就会沉到底部 。 由于两种流体互相流过 ， 这种不稳定性的物理现象不能在一维空间中捕捉到 。 需要垂直于高度的第二个或第三个维度才能看到所有的不稳定性 。 在宇宙尺度上 ， 导致湍流和混合的流体不稳定性在星系、恒星和超新星等宇宙物体的形成中起着关键作用 ， 这需要以极高的分辨率 ， 捕捉一系列尺度上的物理现象 。
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图示：超速超新星内部磁气泡的湍流核心 ， 颜色编码显示密度 ， 磁星位于这张图像的中心 ， 从它发射出两个双极流出 ， 外流的物理大小约为1万公里 。
从非常大到非常小 ， 才能准确地建模像超光速超新星这样的天体物理对象 。 这给天体物理学家带来了技术挑战 ， 研究能够通过一个新的数值方案和NERSC的数百万个超级计算小时来克服这个问题 。 在这项研究中 ， 研究人员模拟了一个大约150亿公里宽的超新星遗迹 ， 里面有一个直接10千米的磁星 。 在该系统中 ， 模拟结果表明 ， 在残余物中形成了两种尺度的流体动力不稳定性 。 一种不稳定是在磁星提供能量的热泡中 ， 另一种是年轻超新星正激波撞击周围气体时发生的 。
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这两种流体不稳定性导致的混合 ， 比通常在典型超新星事件中发生的更多 ， 这对超超新星的光曲线和光谱有重大影响 。 所有这些都不会在一维模型中被捕捉到 ， 这两种情况都不会发生在典型的超新星事件中 。 研究还发现 ， 磁星可以将年轻超新星抛出的钙和硅元素 ， 加速到每秒12000公里的速度 ， 这解释了在光谱观测中发射线加宽的原因 。 即使来自弱磁星的能量 ， 也可以将位于超新星遗迹深处的铁族元素加速到每秒5000到7000公里 。
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图示：超超新星内部磁气泡的湍流核心 ， 颜色编码显示密度 ， 磁星位于这张图像的中心 ， 强湍流是由中心磁星的辐射引起 。
这就解释了为什么在SN1987A这样的核心塌缩超新星事件中很早就观察到了铁 ， 这在天体物理学中是一个长期存在的谜团 。 该研究团队是第一个在三维中准确模拟超速超新星系统的人 ， 因为很幸运能接触到NERSC超级计算机 ， 这个设施是做尖端科学极其方便的地方 。
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博科园｜研究/来自：美国国家能源研究科学计算中心
参考期刊《天体物理学》
博科园｜科学、科技、科研、科普
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