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    超級計算機相助:人類首次模擬極超新星爆發

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-02-13

    據國外媒體報道,這聽起來似乎是科幻電影里才有的情節,天體物理學家利用超級計算機首次對極超新星的爆發進行了二維模擬。極超新星是超新星的一種,爆炸時的能量相當于普通超新星爆發的100倍,直到上個十年,科學家才首次觀測到極超新星。

    研究人員表示,此次嘗試將幫助我們了解導致極超新星出現的物理條件。許多天體物理學家推測,極超新星的爆發是由高度磁化的中子星——磁星(magnetar)——所引起的。研究人員利用美國能源部國家能源研究科學計算中心(NERSC)的超級計算機和勞倫斯伯克利國家實驗開發的CASTRO編碼,對磁星的起源進行了進一步探索。

    超級計算機相助:人類首次模擬極超新星爆發

    天體物理學家利用超級計算機首次對極超新星的爆發進行了二維模擬。極超新星是超新星的一種,爆炸時的能量相當于普通超新星爆發的100倍,直到上個十年,科學家才首次觀測到極超新星。

    超級計算機相助:人類首次模擬極超新星爆發

    對于質量還更大的恒星,如果超過了錢德拉塞卡極限——大約為1.5倍太陽質量,那電子簡并壓力也無法阻擋其重力塌縮。此時恒星的內核就會崩潰,產生中微子,從而引起恒星爆發,出現超新星爆發現象。

    超級計算機相助:人類首次模擬極超新星爆發

    許多天體物理學家推測,極超新星的爆發是由高度磁化的中子星——磁星(magnetar)——所引起的。研究人員利用美國能源部國家能源研究科學計算中心(NERSC)的超級計算機和勞倫斯伯克利國家實驗開發的CASTRO編碼,對磁星的起源進行了進一步探索。

    “這是第一次有人對極超新星進行二維模擬,此前的研究只給出了這些事件的一維模型,”日本國立天文臺的天體物理學家Ken Chen說,“通過對極超新星進行二維模擬,我們可以獲得有關流體的不穩定性及其混合情況的詳細信息,這些是一維模型中無法得到的。這些細節對精確描述極超新星事件的成因十分關鍵,并且能幫助解釋與極超新星對應的觀測結果,比如光曲線和光譜等?!?

    一顆恒星的質量越大,其擁有的引力就越大。當恒星形成時,氫會融合形成氦,釋放出能量,阻止恒星因為自身重力而塌陷。但是,對于特別巨大的恒星,氦還會繼續融合形成更重的元素,比如氧和碳。最終,恒星的內核將由鎳和鐵組成。到了這一階段,聚變將不再釋放能量,此時阻止恒星因自身重力崩潰的便成了電子簡并壓力。

    對于質量還更大的恒星,如果超過了錢德拉塞卡極限——大約為1.5倍太陽質量,那電子簡并壓力也無法阻擋其重力塌縮。此時恒星的內核就會崩潰,產生中微子,從而引起恒星爆發,出現超新星爆發現象。

    研究人員稱,超新星爆發過程中,內核的鎳和鐵原子會發生裂變,留下一大團混亂無序的帶電粒子。帶有負電荷的電子會與帶正電荷的正電子碰撞,產生不帶電的中子。當恒星的內核主要由中子構成時,這顆恒星就被稱為中子星。其中,擁有極高強度磁場的中子星被稱為磁星。

    這些中子星的密度極高,一塊放糖大小的物質質量就超過10億噸。中子星的自轉速度也非???,每秒可達數百轉。由此產生的磁場可以將中子星的旋轉能釋放出來,轉變成高能輻射,一些研究者認為,這些輻射正是極超新星的能量來源。

    利用新的模擬結果,研究人員希望能確定更精確的發生條件?!巴ü源判槍┠艿募灤墻懈誘媸檔畝D?,我們希望獲得更加定量的性質結果,”Ken Chen說,“到目前為止,天文學家觀測到了不到10次這類事件;隨著發現越來越多,我們將能夠確定它們是否具有穩定的性質。如果它們確實如此,并且我們知道其中的原因,那我們就可以用它們作為標準的參照物,在宇宙中進行距離測量?!?

    研究人員表示,此前還沒有人做過類似的模擬?!跋胍約灤墻卸轡D?,你需要用到超級計算機和合適的編碼(包括相關的微觀物理學),”Ken Chen說,“這種模擬需要面對很多挑戰,因此之前都沒有人能做出二維模型。我們之所以能第一次完成這項工作,是因為很幸運能用到NERSC的資源,并且運用了CASTRO編碼?!?

    什么是磁星?

    磁星是一類罕見的具有高強度磁場的中子星,是宇宙中強度最高的磁體。在目前已知2600顆中子星中,只有29顆被歸類為磁星。不過,天文學家并不知道磁星是怎么形成的。與脈沖星不同,磁星的爆發是由強磁場的能量所驅動的。當磁場突然回到較低能量的狀態時,能量會以X射線和伽馬射線的形式爆發出來。這意味著磁星的能量釋放較為短暫,不像脈沖星那么穩定。

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