超新星為何不爆發？

原文標題： Why Won"t the Supernova Explode?

作者：Patrick Barry 原文來自：http://science.nasa.gov/ Posted: 2010. 1. 7

編譯：Melipal 審校：Linq （編譯版權所有，文章有刪節，未經許可請勿轉載。）

2010年1月7日：一顆古老的 恆星 即將壯觀地死去。當核燃料耗盡的 時候，它開始在自身極大的 引力作用下坍縮。恆星 內部決定性的 壓力急速上升，引發了新的 核反應，為駭人的 爆發鋪設了舞台。然後……任何事情都沒有發生。

至少這是幾十年來超級計算機告訴天體物理學家的 事情。許多最好的 超新星 爆發計算機模型並沒有爆發開來。相反，根據模擬計算，引力取得了勝利，星 體只是坍縮了下去而已。

顯然，物理學家遺漏了一些東西。

加州理工學院的 天體物理學家菲奧納·哈里森（Fiona Harrison）說：「我們尚未真正了解大質量恆星 產生的 超新星 爆發的 機制。」相對小的 恆星 的 死亡已經被人們更好地了解了，但是對於較大的 恆星 ——質量在太陽9倍以上的 那些——物理學家還不能做到言之有理。

對高速自轉的 核心坍縮型超新星 進行的 超級計算機模擬。NuSTAR對真實超新星 遺迹的 觀測將為這樣的 模型提供至關重要的 數據，並幫助人們解釋大質量超新星 是如何爆發的 。（圖片提供：Fiona Harrison/Caltech）

某些東西必然要協助向外的 輻射壓以及其他壓力，以克服引力向內的 擠壓。為了查清「某些東西」究竟是什麼，科學家需要在爆發過程中細查真實超新星 的 內部——這顯然不是輕鬆的 活計！

但是這正是哈里森想藉助她和她的 同事正在開發的 一架新型太空望遠鏡來從事的 事情，這架望遠鏡名為核區分光望遠鏡陣列（Nuclear Spectroscopic Telescope Array），簡稱為NuSTAR。

在2011年搭乘飛馬（Pegasus）火箭發射之後，NuSTAR將為科學家提供來自超新星 遺迹、黑洞、耀變體以及其他極端宇宙現象的 高能X射線空前圖象。NuSTAR將成為第一架可以真正聚焦高能X射線的 太空望遠鏡，其獲取的 圖象比早先的 望遠鏡能夠達到的 還要銳利大約100北。

科學家將使用NuSTAR搜索爆發恆星 內部條件的 線索，它們鐫刻在散佈於恆星 爆發殘留星 雲的 元素圖樣里。

藝術家筆下的 NuSTAR。聚焦X射線的 光學系 統需要長焦距，因此需要10米長可展開的 長竿，它將在發射後延展開來。

哈里森說：「你不能非常頻繁地觀測這樣的 爆發，如果其距離足夠近，可以進行仔細研究的 話。我們可以做的 是研究爆發的 遺迹。遺迹中的 組成以及物質的 分布可以告訴你很多關於爆發的 信息。」

特別是一種元素尤為吸引注意力：鈦-44。產生這種鈦同位素所經歷的 核聚變反應需要特定的 能量、壓力以及原材料的 組合。在坍縮星 的 內部，這樣的 組合出現在極為特殊的 深度上。這一深度之下的 一切都將屈從於引力，從向內坍縮成為黑洞。之上的 一切會在爆發中向外吹散。鈦-44正好產生在邊界點上。

因此，鈦-44在整個星 雲中的 分布方式可以揭示出大量有關爆發期間臨界點的 信息。根據這些信息，科學家可能能夠找出在計算機模擬中的 錯誤。

NuSTAR將測量象仙后座A這樣的 超新星 遺迹中鈦-44的 分布，以搜尋不對稱性。 （圖片提供：Chandra X-ray Observatory）

一些科學家確信，計算機模型太過對稱了。直到最近，哪怕是使用最強大的 超級計算機，科學家還只能模擬出恆星 中的 一維細條。科學家只是假設星 體的 其他部分行為類似，這樣模擬出的 內爆在徑向的 所有方向上就都是一樣的 了。

但是如果這一假設是錯誤的 呢？

哈里森說：「不對稱性可能是關鍵。」在不對稱的 爆發中，哪怕向內的 引力在其他區域取得了壓倒性的 優勢，向外的 力量仍舊可以在某些地方突破而出。實際上，最近的 二維模擬表明，不對稱性可以幫助解決「超新星 不爆發」之謎。

哈里森解釋道，如果NuSTAR發現鈦-44是不均勻分布的 ，這可能就是爆發本身不對稱的 證據。

為了探測鈦-44，NuSTAR需要將能量極高的 X射線聚焦。鈦-44是放射性元素，當它衰變時，會釋放出能量在68千電子伏特（keV）的 伽瑪射線。現有的 X射線太空望遠鏡，如NASA的 錢德拉X射線天文台，只能讓最高能量15 keV的 X射線聚焦。

通常的 透鏡根本不能聚焦X射線。玻璃只會讓X射線發生微小的 偏轉，因此為了用玻璃透鏡將X射線彎曲到足以聚焦的 程度，透鏡需要足夠厚，厚到將X射線吸收的 程度。

X射線望遠鏡使用的 是一類完全不同的 透鏡。這種名為沃爾特（Wolter）I型的 光路由許多圓柱形的 殼層組成，每個殼層比前一個略小，安裝在前一個的 內部。整體結構有點類似於圓柱洋蔥（如果確實存在這樣的 東西的 話），各層之間存在有小縫隙。

XMM-牛頓衛星 EPIC照相機的 X射線「光路圖」，這是類似於NuSTAR的 沃爾特I型光學系 統。（圖片提供：ESA/ESTEC）

入射的 X射線穿過各層之間的 縫隙，殼層引導著X射線傳播到焦點。因為X射線是從表面反射出去，而不是象光線穿過玻璃透鏡那樣穿過它們，所以嚴格來說這並不是透鏡。不過結果是一樣的 。

NuSTAR的 沃爾特I型光學系 統具有特殊的 原子級精度鍍膜，使其可以反射能量高達79 keV的 X射線。為了製造這種高精度鍍層，哈里森和她的 同事花費了好幾年的 時間來完善精密製造技術。與可以承受高能光子的 新型感測器一道，這些精密製造出來的 反射層將使NuSTAR具備為探測較少的 高強度X射線成象的 能力。

而發現不會止與超新星 的 。宇宙中許多最為極端的 天體都會發出高能X射線輻射，包括特大質量黑洞以及耀變體。NuSTAR將為我們打開一扇新窗，一睹宇宙最為極端的 一面。

（全文完）