如何炸掉一颗恒星？|Nature Video
原文以How to blow up a star为标题
发布在2018年4月18日的《自然》新闻特写上
原文作者：Elizabeth Gibney
超新星模拟解决了关于恒星死亡的长达50年的谜团。
Hans-Thomas Janka是马克斯·普朗克天体物理研究所的一名理论天体物理学家，他带领的团队在尝试炸星星三个月后，终于看到了他们所期待的东西。他们就像是世界上最耐心的纵火狂，一直盯着大型临爆炸恒星模拟——细节渲染达到极致。每天，他们的超级计算机让恒星的生命只向前推进5毫秒。
超新星1987A的艺术想象图，展示了它非对称的物质喷流。
作者：L. Calçada/ESO
耐心最终获得了回报。在这支团队此前进行仿真模拟的尝试中，恒星的爆炸总是半途熄火。2015年，这一次，Janka看着会引发爆炸的激波逐渐增长，模拟中的恒星也变成了超新星。Janka说：“那一刻我们意识到，我们终于站在了已经等待了20年的位置，走上了发现恒星爆炸机制的正轨。”
半个多世纪以来，物理学家一直怀疑，恒星内核中的神秘粒子中微子所产生的热量可以引发一次爆发，而这能在一秒之内辐射出比太阳一生都多的能量。但是他们在证明这个猜想上遇到了困难。爆炸过程非常复杂，涉及到了广义相对论、流体动力学、核物理等物理领域，计算机很难模拟这一机制。问题就出在这里，“没法复现就没法理解。”Janka说。
现在，计算力进步了，人们也在捕捉星体的物理细节上做出了努力。这使得计算机模拟有了相当大的进展。Janka的模拟标志着物理学家首次为最典型的超新星爆发做出了一个现实三维模型。仅仅几个月之后，美国田纳西州橡树岭国家实验室的一组竞争对手就在更重、更复杂的恒星上复现出了这一模型。现在这一领域变成了热门，有至少五六个团队都在研究恒星爆发三维模型。很多研究者们都相信自己很快就能发现导致这种爆发的最重要的原因。
这方面的努力也遇到了挑战。三维模型仍然不够成熟，不同模型相差巨大——而模拟出的恒星有时候没法爆炸。时间也是一个很大的问题。虽然银河系之外的恒星爆发是常有的事，但天文学家仍然希望能在我们的星系之内近距离看到一次。每个世纪平均会有一两次恒星爆发，而下一次随时可能发生。那时，天文学家会有合适的设备透过爆炸最外层的可见光看到更多的东西。
他们会有最新的一流探测器来识别爆炸中心所发出的引力波和中微子。借助模拟所作出的预测不仅能帮助天文学家调整设备来更好地捕捉爆发，还会帮助他们解读数据。“我的目标是让模型足够完善，这样等银河系的超新星爆发时，我们就能有充足的准备。”橡树岭团队的Antony Mezzacappa说。
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Nature Video：如何炸掉一颗星
激波背后
当一颗质量为太阳8到40倍的恒星寿命即将结束时，它一般会发生爆炸，释放的能量超过10^24颗核弹头。这种“核塌缩”爆炸约占了超新星的三分之二（另一种超新星，即Ia型，是白矮星通过聚变反应引发的爆炸产生的。）
人们从20世纪50年代后期开始对核塌缩超新星产生了兴趣。科学家首先提出假说，认为恒星中会产生一系列化学元素，其中包含了大多数对生命十分重要的元素。他们认为一些较重的元素会出现在能量极高、迅速变化的超新星熔炉里。爆炸会让这些元素喷发出来，使恒星和行星系的组成成分散布到宇宙中。
天体物理学家认为，恒星在爆发前缺乏气体，也就是氢气。由于缺乏聚变材料，年龄较大的恒星所发出的辐射会变少，而核心就会因引力而收缩。较轻的元素会逐渐聚变成重元素，但是这一过程会止于铁元素。最终，无法抵抗引力的铁核心会在几分之一秒内塌缩成至今所知的密度最大的物质：中子星。
通常认为，塌缩的物质会击中新生成的中子星然后反弹出去，造成向外发散的激波。但是反弹本身非常弱，不足以逆转物质的塌缩，也不能让恒星的最外层向外飞出去。如果没有外来的能量源，它往外飞的过程中就会停止（见图“恒星的终结”）。这一难题，Janka说，“困扰了我们50多年。”
来源：H.-Th. Janka Preprint at https://arxiv.org/abs/1702.08825 (2017)
Janka说，解答这个谜题——以及理解恒星中心的粒子汤的动力机制——对回答元素如何产生、元素丰度如何这些问题至关重要。它也可以帮助回答恒星在何种条件下会塌缩成更罕见的形态，例如黑洞。“无法解开爆炸的物理过程的话，这些问题都无法解答。”Janka说。密歇根州立大学的计算天体物理学家Sean Couch补充说，对这个问题建模还有另一个原因：“我认为要是真能让大多数人说实话的话，那就是我们就喜欢炸东西。”
但是，半个多世纪以来，恒星为何爆炸这个问题仍未获解答的原因在于它难到几乎无从下手——而计算机也没有强大到能解开这个问题。纽约大学的天体物理学家Maryam Modjaz说：“这是我们能建立模型的最复杂的系统之一。”其中涉及到了几乎所有尺度的物理，从时空弯曲到中微子的粒子物理，再到极高压强下物质的表现。在做到今天这一步仍算简化的模拟之前，是长达数十年，不断复杂化的核心塌缩模型。最早的模型是一个简单的一维模型，看起来根本不像恒星。
虽然粗糙，但这些模型揭示了核塌缩超新星的第一个关键要素：在新生成的中子星里粒子反应所产生的中微子。几乎没有质量的中微子很少和其他粒子发生交互。但是，1966年理论物理学家计算发现，即使只有极小一部分中微子能量被核心周围的致密物质吸收，仍然足以重启激波并让它向外传播。支持这一想法的证据的出现完全是运气。
1982年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的计算物理学家James Wilson让一次数值模拟跑了一整晚——有些人说是忘了关。等他回到办公室的时候发现，在一段时间之后，中子星中扩散出了足够多的中微子，加热了激波内部的物质，并将其炸出了恒星之外。在那之前，物理学家没有意识到静滞的激波可以重启。“倘若没有模拟那么长时间，我们就看不到这一现象。”Mezzacappa说。
中微子加热成为了这一领域的研究重点，但是数值模拟精度越高，初始恒星质量越大，爆炸就越罕见。虽然中微子能让恒星达到临界点，它们显然还需要额外的帮助。
完美的焰火
关于额外帮助的第一条线索出现于1987年，天文学家当时观察到了临近星系大麦哲伦星云中的一次超新星爆发。当时的一维模型必须假设恒星是完美的球体，由同心的聚变元素层组成，而其动力机制也可以只由离球心的距离这一坐标决定。但是，1987A所喷出的元素混杂在了一起，这意味着元素层也必然有所混合，而这一过程是一维模型不可能描述出来的。
随着20世纪90年代越来越强大的计算机的出现，研究人员可以将一维模拟扩展到二维，来捕捉这一过程。在二维模型里，中微子加热看起来就像一锅水下的炉火，产生出对流和湍流，将新鲜的物质翻出来给中微子来加热，增加了激波之后的压强。2003年，Mezzacappa的团队发现，激波的扰动会迅速增长，成为大幅的晃动和剧烈的旋转——这被称为静止吸积激波不稳定性（SASI）。这种运动会给激波充能，帮助恒星爆炸。
尽管如此，物理学家仍然担心他们在二维中对恒星模拟的简化可能会人为增加爆炸的概率。确实如此：到本世纪10年代初，计算力强到足以支持简单的三维模型时，按照莫纳什大学计算天体物理学家 Bernhard Müller的说法，这些模型就又 “不肯爆炸”了。（Müller在Janka的团队里一直待到2014年。）直到2012年更快的超算机出现时，研究者们才得以将广义相对论和更精细的原子核与粒子物理纳入计算，在从头开始跑的模型里让三维的恒星重新开始爆炸。
Janka说这一里程碑增加了人们对这样一种假说的信心：中微子加热、对流和SASI振荡是爆炸的背后推手。从2015年开始，世界各地的团队——包括加州理工学院、普林斯顿大学、密歇根州立大学和福冈大学的团队——都开始研究三维模型，其中大部分的模拟最终都会产生爆炸（见图“虚拟恒星的爆炸”）。这种模型需要在一系列质量和初始结构都不同的恒星上成功运行，才能证明物理学家确实理解了其中的机制。Müller很乐观：“我们看起来正在逐步接近激波重启这一问题的答案。”
模拟：T. Melson（马克斯·普朗克天体物理研究所，MPA）；可视化：Aaron Doering (MPA)及Elena Erastova （马克斯·普朗克超级计算和数据存储设施中心）。
来源：T. Melson et al. Astrophys. J. 808, L42 (2015)
其他人则有所怀疑。在相对较小的恒星里激波更容易产生。当Janka的团队于2015年尝试引爆一颗更大的三维模型恒星时——20倍太阳质量而非10倍，他们需要把中微子的一项反应速率调到最低限度，勉强满足粒子物理领域的容许误差，才成功引起爆炸。即使到了今天，数值模拟使用了更接近现实的初始条件，却仍然处于炸与不炸的分界点附近。没有人知道为什么。“在现实中，这些东西每次都能稳定地爆炸。”Couch说。模型不肯炸“很可能是告诉我们，要么我们没有准确地模拟出所囊括的物理，要么就是缺些物理机制没考虑进去”。
解决方案之一是构造更详尽的模型。但是在今天的超级计算机上——差不多相当于数万台家用电脑同时运行，这种模拟仍然需要数月，而且研究者们必须作出某种近似和简化。美国、欧洲和日本预定在接下来几年内对超级计算机进行的升级能将三维爆炸模型的运行时间缩短到数周。但即使如此，Mezzacappa说，计算机仍然需要再快一百倍，才能跑完容纳所有物理的三维模型。这么强的计算机可能还得等个十年。
与此同时，物理学家在努力调整模型，来看看它们能不能推断出三个主要因素——中微子加热、对流和SASI振荡——是如何交互的，以及是否有其它潜在因素缺失了。有些人在探讨旋转和磁场是否会对引发爆炸有所帮助。另一些人在建立更接近现实的恒星模型，从一开始就引入了扰动。但是要比较不同的模拟是非常困难的。各个团队的模型不仅有着不同的物理机制，还有不同的简化手法、分辨率和网格几何——所有这些都会对结果有影响。而各个团队也相当坚持于自己的选择。“我去参加会议的时候，不同团队里的人都要打起来了，所有人都说‘我的代码更好’，”Modjaz说，“而且也没办法分辨，因为他们不会公开自己的代码，也没法用通常的方法比较。”
Modjaz说现在这些团队意识到，想要有所进展，他们可能需要找到比较的方法。新一代的研究者，包括Couch和斯德哥尔摩大学的Evan O’Connor，率先公开了代码，并鼓励其他人也这么做。Janka建议制定一组标准化的测试问题，有着定义明确的成分和初始条件，供整个领域的人使用。“我认为这会是整个领域接下来很重要的一步，这可以增加置信度和结果的可靠性。”他说。
核心问题
真正的考验是这些模拟爆炸是否真的接近现实中的爆炸。现在的模型足够复杂——计算力也足够强大——因此可以模拟到激波产生后几分之一秒之后的情况，直到数小时后激波穿过恒星表面。这些模型所预测出的超新星的形状、能量和化学反应可以和真正的恒星爆炸时的最外层，以及留下来的核心的运动方式进行比较。
但是，研究恒星表面发出的光——以及爆炸后会残留数世纪的痕迹——只能提供有限的关于爆炸的信息。“那就好像是去皮肤科看心脏。”Couch说。中微子和引力波可以基本不受阻碍地穿越物质，这让天文学家可以看到恒星内部。1987年，三个中微子探测器捕捉到了超新星1987A产生的25个中微子。在那之后的几十年里建立的其他探测器，例如南极的冰立方 (IceCube) 和日本的超级神冈 (Super-Kamiokande)，可以探测到邻近超新星爆发所产生的数万个中微子。
当这种爆发所产生的中微子抵达地球的时候，它们的能量、数目和放射率就可以告诉我们很多信息，例如中子星的质量和密度，或是塌缩之后中子星会继续吸积多少质量。任何SASI振荡都会让中微子的发射量产生涨落，而这可以通过探测器信号的涨落表现出来。“这样一来，我们可以得到超新星内部所发生的情况的直接证据。”Müller说。
通过探测中微子来检测超新星的价值非常大：冰立方每次只会升级其中一部分，以防止错过这种一期一会的事件。银河系中最年轻的一处超新星遗迹是150年前产生的，但是研究者说，因为这个就说下次爆炸“该来了”是统计上的谬误。“没有人能说出下次什么时候发生，所以必须得时刻警觉。”Janka说。
如果天文学家赶上好运的话，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和它的姐妹天文台室女座干涉仪也能观测到爆发，但是信号不会像最近发现的黑洞和中子星并合那么清晰。加州理工学院的物理学家、LIGO团队成员Sarah Gossan说，需要进行数值模拟才能帮助找到噪声中的微弱信号，以解开其中包含的信息。“我们的数值模拟可以给观测提供线索，反之亦然。”Gossan说。
想要为这种事件做好准备，Janka等研究人员就必须模拟数十种不同的三维恒星。十月，他的团队点燃了一个特别复杂的模型恒星上的引线，这是一颗19倍太阳质量的恒星，模型还包含了它寿命的最后几分钟，这样，塌缩过程的模拟就可以尽可能地详细而真实。他们至少要等到七月才能知道这颗恒星会不会炸。不过，“现在，”他说，“我们已经习惯了耐心。”ⓝ
Nature|doi: 10.1038/d41586-018-04601-7
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