比超新星剧烈百倍的特超新星，只出现在宇宙初期，我们要如何探索
_本文原始标题：比超新星剧烈百倍的特超新星 ， 只出现在宇宙初期 ， 我们要如何探索
在人类的早期历史 ， 总是有着一些史诗般的传奇故事 。 那些先祖在现代人的眼中 ， 不仅神秘 ， 而且总是似乎非常强大 。 在宇宙中 ， 也有着同样的故事上演 。 在今天看似剧烈的超新星 ， 它们的“先祖”同样更加令人震撼！
超级+超级 ， 前所未有的尝试
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超新星是宇宙中最美丽的“烟火” ， 垂死的恒星通过最后的挣扎 ， 留给宇宙最后的一次绚烂 。
在超新星爆发的背后 ， 除了视觉之美 ， 还有科学之美 。 超新星在爆发的时候 ， 会经历一系列复杂的变化 ， 这些变化都是在非常极端的条件下才会发生的 ， 我们在实验室中很难发现 。 同时 ， 它们会产生大量比氢和氦重的元素 。 这些元素改变了整个宇宙的面貌 ， 让宇宙更加多元化 ， 这也是生物出现的基础 。
而在所有的超新星爆发中 ， 有一种最为剧烈 ， 也最为神秘 。 它的威力如此之大 ， 以至于科学家们给它起了个更震撼的名字——特超新星（hypernova ， 也有翻译为超超新星的） 。
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为了探究特超新星的秘密 ， 科学家们进行了无数的尝试 。 如今 ， 来自台湾省的天文学家陈科荣以及来自加州大学圣克鲁斯分校的S.E.Woosley、朴茨茅斯大学的DanielJ.Whalen等人 ， 利用超级计算机 ， 以史无前例的方式 ， 模拟了超级超新星的爆发过程 。
特超新星 ， 宇宙的极致绚丽
所谓的特超新星 ， 都是来自于极其巨大的恒星 ， 它们的质量通常是太阳的130-250倍 ， 能量巨大 ， 所以爆发的时候威力也比普通超新星强100倍左右 。
特超新星的形成有两种渠道：一是核心坍缩 ， 二是不稳定对 。
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坍缩：在恒星演化末期 ， 核心处聚变减缓 ， 对抗自身引力的外压随之降低 ， 最终在突破临界值后发生内核的坍缩 。 在这种情况下出现的超新星爆发 ， 会导致它留下一颗中子星或者黑洞的遗骸 。 不稳定对：这是一种非常特殊的超新星 ， 叫做不稳定对超新星（pair-instabilitysupernova） ， 只出现在质量在太阳130-250倍之间的恒星中 。 在这样的恒星核心处 ， 经常会有电子与反电子对的出现 ， 降低了核心处对抗引力的压力 。 这种不稳定性导致了恒星发生热核爆炸 ， 最终恒星被完全炸碎 ， 一点遗骸都不会留下 。
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（图片说明：不稳定对超新星爆发原理示意图 ， 其核心处的高能伽马射线是产生正负电子对的根本原因）
该团队主要研究的 ， 就是不稳定对超新星 。
看不见的第一代恒星
可是 ， 想要观测特超新星 ， 比观测普通的超新星要难得多 ， 因为这样的大质量恒星实在太少了 。 别看网上到处都是巨大恒星和太阳的对比 ， 实际上我们发现的大质量恒星并不多 ， 尤其是超过130倍太阳质量的 。
宇宙中的确曾经有一段时期充满了如此巨大的恒星 ， 那就是大爆炸后不足3亿年左右的时期 。 那个时候 ， 宇宙第一代恒星刚刚形成 ， 它们全都是这样的巨无霸 。 第一代恒星又叫星族III星 ， 普遍是极其巨大 ， 并且发出耀眼的蓝色光芒的天体 。
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（图片说明：艺术家绘制的第一代恒星假想图）
它们出现得早 ， 死亡得也快 ， 别说是哈勃太空望远镜 ， 即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜 ， 也未必能够看到那么古老的宇宙 。 因此 ， 与其苦苦等待着一个不知道什么时候才能问世的更加强大的望远镜 ， 不如另辟蹊径 。 于是 ， 他们决定利用超级计算机 ， 模拟特超新星爆发的过程 。
超级计算机-超级超新星
当然 ， 这不是人类第一次利用计算机模拟这个过程 ， 但是他们是首次将这个过程模拟得如此深入的团队 。 以往的模拟都是将时间限制在30天内 ， 而这一次他们模拟到了爆发后300天的时间 。
他们之所以模拟得这么久 ， 就在于镍-56的存在 。 镍-56是超新星爆发持久的主要因素 ， 如果不是它的存在 ， 超新星爆发将会只是一闪而过 。 为了能够更加全面地了解超新星爆发的过程 ， 该团队对三颗独立的恒星进行了模拟 。
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（图片说明：不稳定对超新星爆发时 ， 爆炸的冲击波即将冲破恒星表面时的模拟画面）
在日本国立天文台（NAOJ）的计算天体物理中心（CfCA） ， 有一台强大的超级计算机——CrayXC50 。 CrayXC50是美国Cray公司发布的一台超级计算机 ， 发布于2016年 ， 一度号称是当时世界上最强的超级计算机之一 。 2018年 ， CfCA采购了一台CrayXC50 ， 通过其强大的计算力进行科研探索 。
陈科荣等人最终决定 ， 利用这台超级计算机 ， 来模拟特超新星爆发的过程 。
即使它的计算力如此强大 ， 模拟工作也仍然挑战重重 。 陈科荣介绍：“模拟的规模越大 ， 保持分辨率所导致的计算难度就对计算机要求越高 ， 更不用说其中涉及的物理学理论也非常复杂 。 ”好在他们此前就做过类似的模拟 ， 这一次通过更加完善的代码和程序结构 ， 保证了模拟过程的顺利进行 。
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（图片说明：超级计算机CrayXC50）
无与伦比的爆炸
一颗质量达到太阳200倍的大质量恒星 ， 可以合成0.1-30个太阳质量的放射性元素镍-56 。 他们相信 ， 如此大量镍-56的衰变过程 ， 在极大程度上反应了特超新星爆发的各个不同阶段 。 这些镍-56绝不仅仅是延长特超新星亮光的瞬间那么简单 ， 还“可能在深处提供重要的爆发动力效应 ， 这会导致不同元素的混合、给观测提供重要的信号 。 ”
正是通过这些信号 ， 他们获得了前所未有的模拟结果 。
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（图片说明：不稳定对超新星内部结构3D图像 ， 蓝色立方体是整个模拟空间 ， 橙色区域是镍-56衰变的区域）
在镍-56刚刚开始衰变的时候 ， 被加热的气体就开始向外膨胀 ， 形成一个具有薄外壳的结构 。 他们在论文中指出：“气体外壳以内的温度极高……大约30%的能量用来推动气体、另外的~70%能量极有可能就是超新星的光源 。 以往的模拟过程都忽略了推动气体的效应 ， 导致超新星的亮度都被高估了 。 ”
在爆发后的200天左右 ， 炽热的镍-56气泡也形成了一个外壳 ， 这个外壳位于喷射物形成的硅质结构附近 。 这个阶段 ， 镍-56衰变的能量开始更多地向推动喷射物向外膨胀的过程转移 ， 导致超新星的亮度不再那么耀眼 。
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（图片说明：该团队的模拟结果 ， 三种不同的超新星各为一列 ， 每行代表的是超新星爆发后20天、100天和300天后的状态 ， 红线代表着镍-56的气泡外壳）
追寻宇宙最初的模样
正如我们前面所说的那样 ， 第一代恒星至今仍然无法被我们观测到 。 虽然本文的作者很有信心 ， 但我们前几天也介绍过 ， 另外一位科学家认为即使是明年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜乃至欧南台的极大望远镜 ， 恐怕也仍然不足以直接观测到第一代恒星 。 因此 ， 对于这些恒星的爆发进行模拟是非常重要的 ， 也是目前我们仅有的能够研究特超新星爆发的手段之一 。
这些第一代恒星的爆发 ， 为当初那个只有氢和氦以及微量锂的宇宙提供了大量更重的元素 ， 而这些元素正是创造生物、地球乃至今天这个宇宙的基础 。 如果不是这些特超新星爆发 ， 宇宙不会是今天的模样 。
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【比超新星剧烈百倍的特超新星，只出现在宇宙初期，我们要如何探索】我们对宇宙的演化如此好奇 ， 却又如此无力 。 对于现在的我们来说 ， 能够用于研究早期宇宙的手段还非常有限 ， 计算机模拟正是其中之一 ， 这也是超级计算机存在的重要意义之一 。 宇宙啊 ， 你到底为何是今天这副模样？或许在几十年后 ， 我们才能得到答案吧！
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