超新星爆发是宇宙中最剧烈的天体活动之一，当黄矮星或者更大的恒星进入演化末期后，就会通过这种方式结束自己的生命。 对于天文学家来说，超新星爆发是进行天文观测的好机会。但是，这种事又是可遇而不可求，没有人能够预知哪颗恒星会爆发，有些超新星在爆发之前，我们根本看不见。在它们爆发的时候，我们也很难第一时间就发现并观测，因此很多重要的信息都会被我们错过。 我们已经知道，超新星的残骸是一个宇宙级别的粒子加速器。超新星在爆发之后，内核开始探索，外壳则向外膨胀，同时释放出海量的等离子体，形成强大的冲击波。本质上来讲，这种冲击波和超音速飞机产生的音爆比较类似。包括电子在内的大量亚原子粒子形成可怕的宇宙射线，以接近光速的速度释放到宇宙中。科学家告诉我们：如果能够亲眼看到这样恐怖的画面，那就会发现太空中有一块形成了一个明亮的气泡，十分诡异。 虽然理论上说得言之凿凿，但我们从没有真正看见过。这些超新星实在是太远了，动辄几十万光年，甚至数亿光年以外，我们只能通过先进的望远镜进行观测。但是，即便是这样先进的望远镜，仍然不可能对其中的亚原子粒子进行成像。因此，超新星爆发的过程中，仍然有许多问题悬而未决。 不过最近，来自斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的科学家们，就在地球上模拟出了超新星的冲击波。当然，你完全不用担心自己会被炸死，因为这种模拟的冲击波能量远远不足以造成破坏，就像科学家们制造的微小黑洞也不足为据一样。不过，尽管威力非常小，科学家们仍然可以从中获得大量的信息，破解超新星的谜题。 “在宇宙中许多的冲击过程中，其冲击结构的细节都难以被直接破解，这给我们研究其喷射机制提出了巨大的挑战。”SLAC的高级职员科学家Frederico Fiuza说。所以，他和他的团队将“战场”转移到地球，在极小的程度上仿造出超新星的爆发，那就是利用粒子加速器释放电子，模拟超新星爆发时喷射电子的过程，借此了解超新星的亚原子粒子冲击波。 但是，同样来自SLAC的联合作者安娜·格拉西Anna Grassi指出：“即使是通过实验，我们也无法观察到粒子获得能量的细节，更不用说在天文学的观测中了，这正是计算机模拟大显神威的舞台。”因此，他们还通过计算机进行模拟分析，以前所未有的深度了解到了超新星爆发过程中的一些神秘机制。在进行了反复的实验和分析之后，他们终于破解了谜题，并且将研究成果发表在《自然物理学》上。 他们指出：当一颗超新星爆发的时候，其中的电子以及原子核等粒子会以一种被称作无碰撞冲击的形式喷射出去。这种冲击波从爆发前到爆发后始终存在，其来源是等离子体。这些等离子体形成了强烈的磁场，不断被发射、激发和吸收。在等离子体形成的磁场中，电子被磁场推来推去，在这个过程中被加速到接近光速。 不过，科学家对此还有一个疑问：到底是什么机制让它们能够获得如此惊人的速度呢？ 为此，Fiuza等人将一束高能激光射向特制的碳片，在地球上玩了一次人类历史上最激烈的“激光游戏”，从而制造出了强大的等离子体。具体方法是这样的：他们向碳片先后发射了两道激光，当第一道激光反射的时候，就会与第二道激光相撞。在这两股等离子束相撞的时候，产生了一个冲击波，这就是他们所仿造的超新星残骸的冲击波。 Fiuza和他的同事们利用X射线等光学手段进行检测，发现这次仿造的超新星符合宇宙中自然形成的超新星所具备的各种特征，只不过规模极小。 虽然仿造超新星和计算机的模拟已经在很大程度上解决了科学家们的疑问，但有些问题仍然难以解答。Fiuza已经发现，在超新星爆发的一开始，电子就已经被加速到接近光速了，否则它们根本无法穿透冲击波。但就像我们上面说的，他们仍然不知道电子能够获得如此惊人速度的原因，这就是Grassi所说的计算机模拟需要发挥作用的时候了。他们发现，电子获得这样高速的同时，也伴随着激烈的X射线，他们相信，这些X射线或许就是这个问题的答案。 （图片说明：计算机模拟出的两个相互远离的冲击波中磁场的湍流结构） 除此之外，他们的本次研究主要集中在电子，并没有对其他粒子进行检测。比如质子，可能也携带着许多宇宙的秘密，等待着我们去发现。“我们的研究为冲击过程中电子的喷射提供了新的观察角度，并且为人类可以控制的加速器用于研究宇宙物理学开辟了新的道路。”Fiuza说。 |
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