|
依靠动态的3D模型，科学家重建了遥远超新星的爆发过程，揭示了超新星爆发的细节，为我们打开了宇宙的又一扇窗口。 科学家眼中的超新星 每一秒钟，总有一颗恒星在宇宙的某个角落以暴力方式结束自己的生命。这个巨型火球进入暮年之后，并不愿意悄无声息地死去，在耗尽核燃料的时候，它会急剧地塌缩，产生毁灭性的爆炸，在极短的时间（最多两个月）释放出可以媲美其一生辐射总和的能量。此时的恒星在天空中好像是新出现的亮星，科学家称它为超新星。 毫无疑问，超新星爆发是非常宏伟的宇宙演出，在科学家眼中，它也是我们理解星系物质成分与恒星演化过程的关键。超新星通过爆炸，会将恒星的大部分物质以高达十分之一光速的速度向外抛散，并向周围的星际物质辐射激波。这种激波会导致星际空间中形成一个膨胀的由气体和尘埃组成的壳状结构，也就是超新星遗迹。科学家认为，超新星遗迹中充满了重元素（除去氢和氦之外的所有化学元素），正是这些重元素丰富了星际空间的物质，使类地行星乃至生命的产生成为了可能。超新星爆发后，其耀眼的光芒像宇宙的灯塔，科学家利用超新星来测量遥远星系的距离，由此发现了宇宙加速膨胀。 超新星非常重要，科学家们对于恒星内核如何塌缩、巨型爆炸如何发生的过程尤其感兴趣。为了弄清楚这些问题，科学家们每年都会发现并研究数百颗正在爆发的超新星，但即便使用架设在太空中的高精度哈勃望远镜，那些遥远星系中的超新星看上去仍然是一个模糊的光斑，不高的分辨率使科学家难以作出精确的计算。因此，科学家们不再从那些遥远的“光斑”处寻找答案，转而将目光就近投向了银河系中超新星的遗迹。遗迹中的碎片含有大量的氧、硫、硅、铁等重元素，记载了丰富的信息。科学家们根据超新星遗迹的观测结果建立模型，期望重现超新星的爆炸过程。 最受人瞩目的超新星遗迹——仙后座A 仙后座Ａ，也许是银河系中超新星遗迹的最佳样本。它是银河系中已知的最年轻的超新星遗迹，也是地球北半球天空中最强的射电源（射电就是射频电波，又叫无线电波，是电磁波谱的一个频段）。1947年，美国天文学家格罗特·雷伯第一次观察到仙后座A，那里强烈的射电辐射引起了科学家们的注意。1951年，两位美国天文学家在加州帕洛玛天文台拍摄到了仙后座A的照片。 得益于这些天文观察，科学家们已经掌握了关于仙后座A的一大堆知识：它距离我们约有11000光年，其前身星是一颗双星系统中的红巨星。早在1680年，英国皇家天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德就观察到了它的爆发。这颗红巨星在爆发时，失去了绝大部分的氢，只留下了较重的核心。今天，仙后座A看上去是一个直径15光年的富含氧、硫、氩而缺乏氢、氦、氮的明亮壳体。这是因为前身星中较轻的成分会停留在外层空间，环绕在壳体之外。 300多年前，仙后座A的爆发，迅速释放了巨大的能量，激波清扫着周围的星际云。星际云被激发后，也会产生一个通向恒星内部的反射波，这一反射波碰上了高速膨胀的残骸云，将残骸的温度加热到了数百万度，引发了涵盖从无线电波到X射线各种波段的宇宙射线——正是这种激波加热使我们的望远镜看到了今天仙后座A的面貌。 仙后座A爆发之后，没有受到其他天体的干扰，始终处于膨胀的状态，还有着丰富的化学元素，这正是研究超新星的最佳模板。因此科学家们对仙后座A寄予厚望，期望通过研究残骸成分和运动情况来调查超新星的爆发过程。这个思路就好像科学家测试炸弹的威力那样，从碎片的运动情况，推断炸弹的能量是如何释放的。 重建三维模型 如今，随着计算机三维技术的突飞猛进，科学家们开始重现仙后座A爆炸死亡的三维图像。他们对比了1951年帕洛玛天文台和近期哈勃望远镜拍摄的仙后座Ａ照片，发现遗迹的膨胀速度在过去的半个多世纪中并没有放慢。爆炸产生的喷出物一直在高速运动，以至于在仅仅隔开了一年时间的照片中，就可以看到残骸中碎片格局的变化。 类似于利用哈勃定律将星系的退行速度转化成星系与地球距离的方法，同样，科学家通过测量残骸碎片的速度来推测它们（相对于超新星残骸中心）的位置，而速度则通过仙后座A残骸光谱中的多普勒频移确定——当残骸碎片靠近或者远离我们的时候，谱线波长会相应的蓝移或者红移，移动的效果与速度有关。 科学家将地球与仙后座A连线的方向设定为Z坐标轴，残骸碎片在天空中的位置确定X轴和Y轴，在综合了14000次的残骸观测结果之后，做出了仙后座A的3D模型。这个模型包含了残骸中所有发光的喷出物，并且有着极高的空间分辨率和精确的多普勒频移效果。 奇特的环形遗迹 从仙后座A的二维照片到覆盖全貌的三维模型，这是一个巨大的进步。通过360°的旋转，我们可以看到仙后座A的主体结构是如何沿着一个球面包裹起来的——超新星的喷出物并没有覆盖整个球体表面，而是形成了一个大规模的接近圆环的网络，这些圆环的直径大约在1到6光年之间。喷出物在速度上的分布也是不对称的，背离我们运动的喷出物比朝向我们的那些速度更快。 科学家认为，超新星爆炸本身的特点可能造成了仙后座A不均匀的形状，一个不均匀的扁平爆炸（不是各个方向均匀的球面爆炸）可以使喷出物在某一方向上获得更大的速度。另外，一个不均匀的外部环境也可能影响了遗迹的形状，一些证据表明，在靠近我们地球的一侧，那里的物质更密集，这会抑制此处残骸的膨胀速度。 此外，科学家发现，在仙后座A爆炸伊始，富含放射性元素镍56的喷出物烟云在上升时穿过了由轻元素占据的外层，镍衰变成钴，然后衰变成铁，释放出的能量使这些羽状烟云膨胀，同时压缩了近邻的非放射性物质，比如氧、硫和氩，使星际空间如同奶酪发酵一般产生了气泡。 科学家对于其他相对年轻的核塌缩超新星做了研究，也发现了类似的巨型环状喷出物，这意味着仙后座Ａ中有序的碎片结构并不特别，也许背后有着更加普适的动力学原因。然而不管环状结构起源于什么，它对科学家研究超新星来说都将是一个重要的指南。 飞奔的喷流 自从1951年天文学家拍摄到了仙后座A的照片后，他们就发现这颗超新星存在着方向性极强的喷流——在靠外的边缘地带，喷出物的速度约有每秒15000千米，随后，科学家又在仙后座A的另一面发现了方向完全相反的喷流。 在二维的天空平面中，这些喷流看上去几乎沿着完全相反的方向，但实际上这是不准确的。科学家用三维模型研究了这些高速运动的喷出物，发现它们以一个40°散开的圆锥形区域铺开。在三维模拟中，喷出物的速度与它们的化学成分联系到了一起。移动最快的那些残片，位于喷流最外边的尖端，含有最多的硫和硅，这表明它们起源于前身星的内部，是某种特殊的爆炸过程将恒星中心的材料沿着特定的方向喷出。喷流存在的这两个区域是仅有的混合着氢、氦（来自前身星表面）和氧、硫、氩（来自于恒星深层）的区域，这一不寻常的元素混合意味着仙后座A有着一个高度的骚乱和爆炸性的起源。 仙后座A的环状网络和高速的喷流令人印象深刻，这些特征无法在遥远的系外超新星中看到。因此，仙后座A遗迹的3D模拟给予了科学家们研究超新星爆发过程的一些有价值的线索。未来，一些新的近距离的超新星遗迹还会出现，科学家期望获得更多的更深刻的见解，但是这项任务挑战着计算机能力的极限。超新星的模拟任务必须由世界上最强大的超级计算机运行，模型的构建需要理解复杂的流体力学、核物理、恒星演化和光学传输的知识，科学家们任重而道远。 |
|
|
