【摘要】三維超新星的計算機數值模擬解決了它們為何會爆炸的奧秘。

1966年，物理學家首次提出中微子是超新星爆發的內部驅動。然而幾十年來，物理學家一直感到中微子動力模型中似乎存在致命缺陷。

超新星爆炸後內部深處的細節一直是神秘的。這是一口極端條件下的高壓鍋，是物質的湍流湯。我們日常生活中常被忽略的粒子和作用變得至關重要。更加複雜的是，爆炸內部在很大程度上不可見。普林斯頓大學天體物理學家Adam Burrows說，瞭解超新星的細節“一直是天體物理學中尚未解決的核心問題” ，他研究超新星已有35年以上。

對於中微子如何在坍縮恆星的極端條件下將能量轉移到恆星的普通物質上仍存在疑問。每當理論家試圖在計算機模擬中對中微子運動和相互作用進行建模時，超新星的衝擊波會停滯。密歇根州立大學的計算天體物理學家Sean Couch說，這些失敗“使我們關於超新星爆炸的領先理論失去效用” 。

圖一：湍流物質圍繞一顆坍縮恆星的中心旋轉。藍色表示的超新星的衝擊波受到湍流的額外推動，而中心的密集核將繼續形成中子星。

恆星的大部分生命中，引力的向內吸引與恆星核心內部核反應產生的輻射的外推微妙地平在衡。當恆星的燃料耗盡時，引力就佔據了上風。核心自身坍塌（以每小時15萬公里的速度驟降），導致溫度激增至1000億攝氏度，並將核心融合成固體中子球。

恆星的外層繼續向內下落，但是當它們撞擊到這個不可壓縮的中子核時，它們會從其反彈，從而產生衝擊波。為了使衝擊波爆炸，必須以足夠的能量向外推動衝擊波，以逃避恆星引力的拉力。衝擊波還必須與仍落在核心上的恆星最外層的向內螺旋運動作鬥爭。

幾十年來，計算機僅可以執行崩潰核心的簡化模型。恆星被視為完美的球體，衝擊波從中心向每個方向都以相同的方式發出。但是，當衝擊波在這些一維模型中向外移動時，它會變慢，然後逐漸減弱。

圖二：旋渦物質在核心坍塌後的前半秒圍繞超新星的核心。在此模擬中，物質由熵（一種無序量度）著色（紅色表示熵較高）。由於湍流，爆炸是非對稱的。

最近幾年，隨著超級計算機的發展，理論家才有足夠的計算力來模擬實現爆炸所需的複雜性的大質量恆星。最好的模型現在集成了很多細節，例如中微子與物質之間的微觀相互作用，流體的無序運動以及從核物理學到恆星演化的許多物理領域的最新進展。而且，理論家現在可以每年執行許多模擬，自由地調整引數並嘗試不同的初始條件。

2015年是個轉折點，Couch和他的合作者運行了一個三維計算機模型，分析了一顆巨大恆星坍塌的最後一刻。儘管模擬僅描繪出了恆星生命的160秒，但它闡明瞭衝擊波轉化為大爆炸的機理：隱藏在野獸腹內的粒子扭曲並混亂地旋轉，“就像爐子上的開水。恆星內部有巨大的流體傾覆，每秒幾千公里”， Couch說。

這種湍流在衝擊波後面產生了額外的壓力，將其推離恆星中心。遠離中心，引力的向內吸引減弱，並且向內下落的物質減少了衝擊波。在衝擊波後面反彈的湍流物質也有更多時間吸收中微子。然後，中微子產生的能量加熱物質並將衝擊波驅動為猛烈的爆炸。

多年以來，研究人員一直未能意識到湍流的重要性，因為它僅揭示了其在三維模擬中的全部影響。Adam Burrows說，“大自然不費吹灰之力，從一維提升到二維和三維，而我們花了數十年的時間來實現”。

這些模擬還表明，湍流會導致不對稱爆炸，這顆恆星看起來有點像沙漏。隨著爆炸朝一個方向向外推動，物質不斷沿另一個方向落到核上，進一步為恆星的爆炸提供了動力。

這些新的模擬使研究人員更好地瞭解超新星如何塑造了今天所看到的宇宙。Burrows說：“我們可以獲得正確的爆炸能量範圍，並且可以獲得所看到的中子星質量。” 超新星在很大程度上負責建立宇宙中諸如氧氣和鐵等重元素的預算，並且理論家開始使用模擬來準確預測這些重元素應該存在多少。俄亥俄州立大學的理論和計算天體物理學家Tuguldur Sukhbold說：“我們現在開始解決過去難以想象的問題。”

儘管計算能力指數增長，但超新星模擬遠比觀測要少。“二十年前，每年發現約100顆超新星，”哈佛大學的天文學家Edo Berger說。“現在我們每年發現10,000或20,000，”更新型望遠鏡可以快速掃描夜空。相比之下，理論家在一年中進行大約30次模擬。一次模擬僅重新生成幾分鐘的核心坍塌，可能需要幾個月的時間。

新模擬的廣泛準確性使天體物理學家為下一次爆炸感到興奮。“雖然我們正在等待下一顆超新星（爆發），但我們還有很多工作要做。哥本哈根大學的理論天體物理學家Irene Tamborra說，我們需要改進理論模型，以瞭解我們可以檢測到的特徵。“你不能錯過機會，因為這是一次罕見的事件。”大多數超新星離地球太遠，觀測站無法檢測到它們的中微子。銀河系附近的超新星——就像超新星1987A——平均大約每半個世紀才出現一次。

但是，如果確實發生了，天文學家將能夠透過觀察其引力波“直接窺探爆炸中心”。“不同的小組強調不同的過程對於恆星的實際爆炸很重要。這些不同的過程具有不同的引力波和中微子特徵。”

儘管理論家們已在驅動超新星的最重要因素上達成廣泛共識，但挑戰依然存在。Sukhbold說，特別是，爆炸的結果“非常強烈地取決於”一顆恆星在坍塌之前的核心結構。混沌塌陷會將微小差異放大為多種結果，因此也必須準確模擬恆星塌陷之前的演化。其他問題包括強磁場在旋轉恆星核心中的作用。Burrows說：“很可能是磁場和中微子的混合機制”。 中微子從一種型別（或“味”）轉變為另一種型別以及它如何影響爆炸的方式還不清楚。

Tamborra說：“我們的模擬中仍然需要新增很多成分。” “如果下一次超新星爆炸符合我們的理論預測，那麼這意味著我們目前所缺少的成分都可以放心地忽略。但如果不是這種情況，那麼我們需要了解原因。”