如何炸掉一顆恆星？

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導語：超新星模擬解決了關於恆星死亡的長達50年的謎團。

Hans-Thomas Janka是馬克斯·普朗克天體物理研究所的一名理論天體物理學家，他帶領的團隊在嘗試炸星星三個月後，終於看到了他們所期待的東西。他們就像是世界上最耐心的縱火狂，一直盯著大型臨爆炸恆星模擬——細節渲染達到極致。每天，他們的超級計算機讓恆星的生命只向前推進5毫秒。

耐心最終獲得了回報。在這支團隊此前進行模擬模擬的嘗試中，恆星的爆炸總是半途熄火。2015年，這一次，Janka看著會引發爆炸的激波逐漸增長，模擬中的恆星也變成了超新星。Janka說：「那一刻我們意識到，我們終於站在了已經等待了20年的位置，走上了發現恆星爆炸機制的正軌。」

半個多世紀以來，物理學家一直懷疑，恆星內核中的神秘粒子中微子所產生的熱量可以引發一次爆發，而這能在一秒之內輻射出比太陽一生都多的能量。但是他們在證明這個猜想上遇到了困難。爆炸過程非常複雜，涉及到了廣義相對論、流體動力學、核物理等物理領域，計算機很難模擬這一機制。問題就出在這裡，「沒法復現就沒法理解。」Janka說。

現在，計算力進步了，人們也在捕捉星體的物理細節上做出了努力。這使得計算機模擬有了相當大的進展。Janka的模擬標誌著物理學家首次為最典型的超新星爆發做出了一個現實三維模型。僅僅幾個月之後，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的一組競爭對手就在更重、更複雜的恆星上復現出了這一模型。現在這一領域變成了熱門，有至少五六個團隊都在研究恆星爆發三維模型。很多研究者們都相信自己很快就能發現導致這種爆發的最重要的原因。

這方面的努力也遇到了挑戰。三維模型仍然不夠成熟，不同模型相差巨大——而模擬出的恆星有時候沒法爆炸。時間也是一個很大的問題。雖然銀河系之外的恆星爆發是常有的事，但天文學家仍然希望能在我們的星系之內近距離看到一次。每個世紀平均會有一兩次恆星爆發，而下一次隨時可能發生。那時，天文學家會有合適的設備透過爆炸最外層的可見光看到更多的東西。

他們會有最新的一流探測器來識別爆炸中心所發出的引力波和中微子。藉助模擬所作出的預測不僅能幫助天文學家調整設備來更好地捕捉爆發，還會幫助他們解讀數據。「我的目標是讓模型足夠完善，這樣等銀河系的超新星爆發時，我們就能有充足的準備。」橡樹嶺團隊的Antony Mezzacappa說。

激波背後

當一顆質量為太陽8到40倍的恆星壽命即將結束時，它一般會發生爆炸，釋放的能量超過10^24顆核彈頭。這種「核塌縮」爆炸約佔了超新星的三分之二（另一種超新星，即Ia型，是白矮星通過聚變反應引發的爆炸產生的。）

人們從20世紀50年代後期開始對核塌縮超新星產生了興趣。科學家首先提出假說，認為恆星中會產生一系列化學元素，其中包含了大多數對生命十分重要的元素。他們認為一些較重的元素會出現在能量極高、迅速變化的超新星熔爐里。爆炸會讓這些元素噴發出來，使恆星和行星系的組成成分散布到宇宙中。

天體物理學家認為，恆星在爆發前缺乏氣體，也就是氫氣。由於缺乏聚變材料，年齡較大的恆星所發出的輻射會變少，而核心就會因引力而收縮。較輕的元素會逐漸聚變成重元素，但是這一過程會止於鐵元素。最終，無法抵抗引力的鐵核心會在幾分之一秒內塌縮成至今所知的密度最大的物質：中子星。

通常認為，塌縮的物質會擊中新生成的中子星然後反彈出去，造成向外發散的激波。但是反彈本身非常弱，不足以逆轉物質的塌縮，也不能讓恆星的最外層向外飛出去。如果沒有外來的能量源，它往外飛的過程中就會停止（見圖「恆星的終結」）。這一難題，Janka說，「困擾了我們50多年。」

Janka說，解答這個謎題——以及理解恆星中心的粒子湯的動力機制——對回答元素如何產生、元素丰度如何這些問題至關重要。它也可以幫助回答恆星在何種條件下會塌縮成更罕見的形態，例如黑洞。「無法解開爆炸的物理過程的話，這些問題都無法解答。」Janka說。密歇根州立大學的計算天體物理學家Sean Couch補充說，對這個問題建模還有另一個原因：「我認為要是真能讓大多數人說實話的話，那就是我們就喜歡炸東西。」

但是，半個多世紀以來，恆星為何爆炸這個問題仍未獲解答的原因在於它難到幾乎無從下手——而計算機也沒有強大到能解開這個問題。紐約大學的天體物理學家Maryam Modjaz說：「這是我們能建立模型的最複雜的系統之一。」其中涉及到了幾乎所有尺度的物理，從時空彎曲到中微子的粒子物理，再到極高壓強下物質的表現。在做到今天這一步仍算簡化的模擬之前，是長達數十年，不斷複雜化的核心塌縮模型。最早的模型是一個簡單的一維模型，看起來根本不像恆星。

雖然粗糙，但這些模型揭示了核塌縮超新星的第一個關鍵要素：在新生成的中子星里粒子反應所產生的中微子。幾乎沒有質量的中微子很少和其他粒子發生交互。但是，1966年理論物理學家計算髮現，即使只有極小一部分中微子能量被核心周圍的緻密物質吸收，仍然足以重啟激波並讓它向外傳播。支持這一想法的證據的出現完全是運氣。

1982年，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的計算物理學家James Wilson讓一次數值模擬跑了一整晚——有些人說是忘了關。等他回到辦公室的時候發現，在一段時間之後，中子星中擴散出了足夠多的中微子，加熱了激波內部的物質，並將其炸出了恆星之外。在那之前，物理學家沒有意識到靜滯的激波可以重啟。「倘若沒有模擬那麼長時間，我們就看不到這一現象。」Mezzacappa說。

中微子加熱成為了這一領域的研究重點，但是數值模擬精度越高，初始恆星質量越大，爆炸就越罕見。雖然中微子能讓恆星達到臨界點，它們顯然還需要額外的幫助。

完美的焰火

關於額外幫助的第一條線索出現於1987年，天文學家當時觀察到了臨近星系大麥哲倫星雲中的一次超新星爆發。當時的一維模型必須假設恆星是完美的球體，由同心的聚變元素層組成，而其動力機制也可以只由離球心的距離這一坐標決定。但是，1987A所噴出的元素混雜在了一起，這意味著元素層也必然有所混合，而這一過程是一維模型不可能描述出來的。

隨著20世紀90年代越來越強大的計算機的出現，研究人員可以將一維模擬擴展到二維，來捕捉這一過程。在二維模型里，中微子加熱看起來就像一鍋水下的爐火，產生出對流和湍流，將新鮮的物質翻出來給中微子來加熱，增加了激波之後的壓強。2003年，Mezzacappa的團隊發現，激波的擾動會迅速增長，成為大幅的晃動和劇烈的旋轉——這被稱為靜止吸積激波不穩定性（SASI）。這種運動會給激波充能，幫助恆星爆炸。

儘管如此，物理學家仍然擔心他們在二維中對恆星模擬的簡化可能會人為增加爆炸的概率。確實如此：到本世紀10年代初，計算力強到足以支持簡單的三維模型時，按照莫納什大學計算天體物理學家 Bernhard Müller的說法，這些模型就又 「不肯爆炸」了。（Müller在Janka的團隊里一直待到2014年。）直到2012年更快的超算機出現時，研究者們才得以將廣義相對論和更精細的原子核與粒子物理納入計算，在從頭開始跑的模型里讓三維的恆星重新開始爆炸。

Janka說這一里程碑增加了人們對這樣一種假說的信心：中微子加熱、對流和SASI振蕩是爆炸的背後推手。從2015年開始，世界各地的團隊——包括加州理工學院、普林斯頓大學、密歇根州立大學和福岡大學的團隊——都開始研究三維模型，其中大部分的模擬最終都會產生爆炸（見圖「虛擬恆星的爆炸」）。這種模型需要在一系列質量和初始結構都不同的恆星上成功運行，才能證明物理學家確實理解了其中的機制。Müller很樂觀：「我們看起來正在逐步接近激波重啟這一問題的答案。」

其他人則有所懷疑。在相對較小的恆星里激波更容易產生。當Janka的團隊於2015年嘗試引爆一顆更大的三維模型恆星時——20倍太陽質量而非10倍，他們需要把中微子的一項反應速率調到最低限度，勉強滿足粒子物理領域的容許誤差，才成功引起爆炸。即使到了今天，數值模擬使用了更接近現實的初始條件，卻仍然處於炸與不炸的分界點附近。沒有人知道為什麼。「在現實中，這些東西每次都能穩定地爆炸。」Couch說。模型不肯炸「很可能是告訴我們，要麼我們沒有準確地模擬出所囊括的物理，要麼就是缺些物理機制沒考慮進去」。

解決方案之一是構造更詳盡的模型。但是在今天的超級計算機上——差不多相當於數萬台家用電腦同時運行，這種模擬仍然需要數月，而且研究者們必須作出某種近似和簡化。美國、歐洲和日本預定在接下來幾年內對超級計算機進行的升級能將三維爆炸模型的運行時間縮短到數周。但即使如此，Mezzacappa說，計算機仍然需要再快一百倍，才能跑完容納所有物理的三維模型。這麼強的計算機可能還得等個十年。

與此同時，物理學家在努力調整模型，來看看它們能不能推斷出三個主要因素——中微子加熱、對流和SASI振蕩——是如何交互的，以及是否有其它潛在因素缺失了。有些人在探討旋轉和磁場是否會對引發爆炸有所幫助。另一些人在建立更接近現實的恆星模型，從一開始就引入了擾動。但是要比較不同的模擬是非常困難的。各個團隊的模型不僅有著不同的物理機制，還有不同的簡化手法、解析度和網格幾何——所有這些都會對結果有影響。而各個團隊也相當堅持於自己的選擇。「我去參加會議的時候，不同團隊里的人都要打起來了，所有人都說『我的代碼更好』，」Modjaz說，「而且也沒辦法分辨，因為他們不會公開自己的代碼，也沒法用通常的方法比較。」

Modjaz說現在這些團隊意識到，想要有所進展，他們可能需要找到比較的方法。新一代的研究者，包括Couch和斯德哥爾摩大學的Evan O』Connor，率先公開了代碼，並鼓勵其他人也這麼做。Janka建議制定一組標準化的測試問題，有著定義明確的成分和初始條件，供整個領域的人使用。「我認為這會是整個領域接下來很重要的一步，這可以增加置信度和結果的可靠性。」他說。

核心問題

真正的考驗是這些模擬爆炸是否真的接近現實中的爆炸。現在的模型足夠複雜——計算力也足夠強大——因此可以模擬到激波產生後幾分之一秒之後的情況，直到數小時後激波穿過恆星表面。這些模型所預測出的超新星的形狀、能量和化學反應可以和真正的恆星爆炸時的最外層，以及留下來的核心的運動方式進行比較。

但是，研究恆星表面發出的光——以及爆炸後會殘留數世紀的痕迹——只能提供有限的關於爆炸的信息。「那就好像是去皮膚科看心臟。」Couch說。中微子和引力波可以基本不受阻礙地穿越物質，這讓天文學家可以看到恆星內部。1987年，三個中微子探測器捕捉到了超新星1987A產生的25個中微子。在那之後的幾十年里建立的其他探測器，例如南極的冰立方 (IceCube) 和日本的超級神岡 (Super-Kamiokande)，可以探測到鄰近超新星爆發所產生的數萬個中微子。

當這種爆發所產生的中微子抵達地球的時候，它們的能量、數目和放射率就可以告訴我們很多信息，例如中子星的質量和密度，或是塌縮之後中子星會繼續吸積多少質量。任何SASI振蕩都會讓中微子的發射量產生漲落，而這可以通過探測器信號的漲落表現出來。「這樣一來，我們可以得到超新星內部所發生的情況的直接證據。」Müller說。

通過探測中微子來檢測超新星的價值非常大：冰立方每次只會升級其中一部分，以防止錯過這種一期一會的事件。銀河系中最年輕的一處超新星遺迹是150年前產生的，但是研究者說，因為這個就說下次爆炸「該來了」是統計上的謬誤。「沒有人能說出下次什麼時候發生，所以必須得時刻警覺。」Janka說。

如果天文學家趕上好運的話，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）和它的姐妹天文台室女座干涉儀也能觀測到爆發，但是信號不會像最近發現的黑洞和中子星併合那麼清晰。加州理工學院的物理學家、LIGO團隊成員Sarah Gossan說，需要進行數值模擬才能幫助找到雜訊中的微弱信號，以解開其中包含的信息。「我們的數值模擬可以給觀測提供線索，反之亦然。」Gossan說。

想要為這種事件做好準備，Janka等研究人員就必須模擬數十種不同的三維恆星。十月，他的團隊點燃了一個特別複雜的模型恆星上的引線，這是一顆19倍太陽質量的恆星，模型還包含了它壽命的最後幾分鐘，這樣，塌縮過程的模擬就可以儘可能地詳細而真實。他們至少要等到七月才能知道這顆恆星會不會炸。不過，「現在，」他說，「我們已經習慣了耐心。」?

Nature|doi: 10.1038/d41586-018-04601-7

原文發布在2018年4月18日的《自然》新聞特寫上，作者：Elizabeth Gibney

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