研究超新星爆发的意义论文

我们几乎不可能理解超新星爆炸的猛烈破坏力。 一颗爆炸的超新星可以在几周甚至几个月内比它的宿主星系更耀眼。考虑到一个星系可以包含数千亿颗恒星，这似乎几乎是不可能的。 任何离超新星太近的行星都会被释放的所有能量完全“消毒”，它的大气层会被剥离，甚至可能被撕成碎片。 但就像自然界的许多事物一样，这一切都取决于“剂量”。 因此，一定数量的超新星活动可能是生命存在的必要条件。 超新星的爆炸会锻造出生命所必需的重元素。超新星爆炸会产生铁等元素并将其扩散到太空中，以便在恒星和行星的形成过程中被吸收。 没有它们，我们就不会在这里。正如丹麦国家空间研究所的亨里克·斯文斯马克（Henrik Svensmark）教授所言： “地球上的生命似乎是在超新星活动的影响下进化出来的。” 但一篇新的研究文章揭示了超新星支持生命的另一种方式。地球附近的超新星活动可能导致了大气中更多的氧气。而氧气对于复杂生命来说是必不可少的。 氧气处于一长串因果关系的末端，这一切都始于超新星释放的银河宇宙射线（GCR）。 这篇研究文章的标题是“超新星的速率和有机质的埋藏”。作者正是亨里克·斯文斯马克教授，他是哥本哈根丹麦国家空间研究所太阳系物理系的物理学家和教授。这篇论文发表在《地球物理研究快报》杂志上。 文章的开头写道：“地球上的生命似乎是在邻近太阳的超新星活动的影响下进化的。”有证据表明，气候、云层和来自超新星的宇宙射线之间存在联系。 当重恒星爆炸时，它们会产生由具有巨大能量的基本粒子组成的宇宙射线。宇宙射线传播到我们的太阳系，有些射线会与地球的大气层相撞，从而结束它们的旅程。在这里，它们负责电离大气。 这些宇宙射线产生的电离能在地球上层大气中形成气溶胶。这会增加云层的形成。云层阻挡太阳辐射到达地球表面，使气候降温。气候越凉爽，极地地区和中纬度地区之间的温差就越大。这些差异造成了更强的风和洋流，进而推动了更强的营养循环。 上图：该图显示了超新星爆发率和海洋中微量元素或营养物质之间的关系。黄铁矿中含有营养物质，是海洋中营养物质的代表。图顶部的彩色带表示气候温暖期(橙色)，寒冷期(蓝色)，冰川期(白色和蓝色的孵化条)，以及最后的冰川峰值(黑色和白色孵化条)。地质时期的缩写有:Cm寒武系、O奥陶系、S志留系、D泥盆系、C石炭系、P二叠纪、Tr三叠纪、J侏罗系、K白垩纪、Pg古近系、Ng新近系。 更强的营养循环，意味着更多的生命所需的化学元素被输送到海洋上部200米，靠近大陆架，那里的生物生产力是最高的。当生物生产力提高时，会有更多的生物生存和死亡，当它们死亡时，它们会作为有机物落到海底，被包裹在沉积物中。因此，这篇研究论文的标题是“超新星的速率和有机质的埋藏”。 在地质时间尺度上，超新星活动可以剧烈波动，幅度高达几百倍。因此，对气候的影响可以在长时间尺度上显现出来。 上图：该图显示了随着时间的推移，超新星的活动和由超新星产生的有机物水平的增加。上面的面板显示了超新星的活动，下面的面板显示了海洋沉积物中的有机物含量。超新星爆炸的频率来自于星团数据和以前研究的开放星团数据。上面的面板显然与下面的面板相关联。作者表示，在过去的5亿年里，这种相关性更明显，但越往后看，就越不清楚了。 那么，增加的有机物是如何导致更多氧气的呢？我们继续。 海洋沉积物中的有机物以碳12的形式存在。生命倾向于较轻的C12同位素，而不是C13，沉积物中C12与C13的比值揭示了在地质时间尺度上存在生命。 所有这些活动都会对地球上的氧气产生影响。当有机物进入沉积物时，它就成为氧气的间接来源。如果所有的有机物质都暴露在大气中，那么它就会在分解的过程中与大气中的氧气发生反应，并将氧气从大气中抽出。相反，由于有机物被掩埋，氧气留在了大气中。而复杂的生命需要氧气。 如果，没有附近的超新星和它们产生的银河宇宙射线（GCR），这种情况是不会发生的。如果附近没有足够的超新星活动，气候就会变暖。风和洋流会变得更弱，也会使营养物质流动更少。将化学养分输送到海洋生物生产区所需的强劲上升流将不复存在。气候变暖的后果是生物生产力下降，因为洋流和大气风会变弱。生物生产力的降低，意味着海洋沉积物中有机物（C12）的减少。作者在文中写道：“海洋-大气系统中的有效动能，决定了海洋和大气中 营养物质的混合和运输。 ” 上图：这张图片展示了现代地球的洋流。所有这些洋流结合在一起形成温盐环流，也被称为海洋传送带。这条带，加上风和河流的地表径流，驱动着地球的营养循环。 亨里克·斯文斯马克教授表示：“一个有趣的结果是，将有机物转移到沉积物中是氧气的间接来源。光合作用从光、水和二氧化碳中产生氧气和糖。然而，如果有机物质不进入沉积物，氧气和有机物质就会变成二氧化碳和水。有机物的掩埋，阻止了这种逆反应。因此，超新星间接地控制氧气的产生，而氧气是所有复杂生命的基础。” 含氧光合作用和有机物掩埋是氧气的主要来源，而氧气支撑着复杂生命的进化。新的证据表明，在宇宙射线对云层和气候的影响下，地球上的生命和超新星之间存在着非同寻常的联系。 很明显，超新星的活动和地球上的生命都取决于“剂量”。根据一些科学证据，一些超新星离地球太近，导致了地球的部分灭绝。超新星爆炸可能引发了奥陶纪大灭绝，这是地球 历史 上灭绝数量第二大的物种灭绝。如果，其中一个离地球太近，就会使地球彻底绝育。但根据这项研究，一些超新星活动通过刺激营养循环和增加大气中的氧气，帮助推动了地球上的生命。 我们习惯于认为，附近的超新星对地球上的生命具有潜在的毁灭性，事实也的确如此。但这项研究表明，就像自然界的许多事物一样，“剂量”才是关键。 如果我们周围没有超新星活动，地球上的生命可能看起来会和现在大不相同。

超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿，可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制，例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。

超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素（重于碳但轻于铁）。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的，它们以很高的速度被抛向星际空间。此外，超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中，超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关。

超新星：英文名为supernova，也称：nova。超新星

超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸都极其明亮，过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。在这段期间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相媲美。恒星通过爆炸会将其大部分甚至几乎所有物质以可高至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。这种激波会导致形成一个膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构，这被称作超新星遗迹。

据外媒报道，Ia型超新星涉及一个接近其钱德拉塞卡极限（Chandrasekhar limit ）质量的爆炸的白矮星。由于这个原因，Ia型超新星爆炸几乎具有普遍性，是估计爆炸距离的绝佳工具，就像一个宇宙距离阶梯。 坍缩的大质量恒星会形成另一种超新星（II型），其特性更加多变，但其峰值光度相当。

迄今为止，最光亮的事件发生在气态环境下的核心坍缩超新星中，当时爆炸附近的环星介质将动能转化为辐射，从而提高了光亮度。周边物质的来源通常是大质量恒星外层的恒星风，因为它们在爆炸前被排出。

然而一个=问题是，Ia型超新星在密集的气态环境中会是什么样子？在这种情况下，周围的星际介质的来源又是什么？它们是否也会比其他恒星更亮？为了解决这个问题，OzGrav的研究人员Evgeni Grishin、Ryosuke Hirai和Ilya Mandel与一个国际科学家团队一起，研究了活动星系核中心区域周围致密吸积盘中的爆炸情况。他们构建了一个分析模型，得出了各种初始条件下的峰值光度和光曲线，如吸积盘的特性、超大质量黑洞的质量、爆炸的位置和内部特性（如初始能量、喷射物质量）。该模型还使用了最先进的辐射流体力学模拟套件。

爆炸在环绕恒星的介质中产生了冲击波，并逐渐向外传播。最终，冲击波到达一个光学上足够薄的外壳，这样光子就可以"破壳而出"。这个“破壳”的位置和光子扩散的时间决定了光曲线的特性。

如果环绕恒星的介质的数量远远小于喷出物的质量，那么光曲线看起来与Ia型超新星非常相似。反之，一个非常大的环星物质可以扼杀爆炸，它将不会被看到。“甜蜜点”位于两者之间，即喷出物的质量与周围恒星物质的数量大致相当的地方。在后一种情况下，峰值光度比标准Ia型超新星大100倍，这使得它成为迄今为止最亮的超新星事件之一。

描述这项工作的研究论文最近发表在《皇家天文学会月刊》上。发光的爆炸可以在吸积盘中观察到，也可以在超大质量黑洞质量较小的星系中观察到，在这些星系中，背景活动星系核活动不会阻碍先进仪器的观察。

光子扩散和冲击爆发的基本物理过程可以用诗歌来创造性地解释：

超新星是宇宙中最美丽的“烟火”，垂死的恒星通过最后的挣扎，留给宇宙最后的一次绚烂。

在超新星爆发的背后，除了视觉之美，还有科学之美。超新星在爆发的时候，会经历一系列复杂的变化，这些变化都是在非常极端的条件下才会发生的，我们在实验室中很难发现。同时，它们会产生大量比氢和氦重的元素。 这些元素改变了整个宇宙的面貌，让宇宙更加多元化，这也是生物出现的基础 。

而在所有的超新星爆发中，有一种最为剧烈，也最为神秘。它的威力如此之大，以至于科学家们给它起了个更震撼的名字—— 特超新星 （hypernova，也有翻译为超超新星的）。

为了探究特超新星的秘密，科学家们进行了无数的尝试。如今，来自台湾省的天文学家陈科荣以及来自加州大学圣克鲁斯分校的S. E. Woosley、朴茨茅斯大学的Daniel J. Whalen等人，利用超级计算机，以史无前例的方式，模拟了超级超新星的爆发过程。

所谓的特超新星，都是来自于极其巨大的恒星，它们的质量通常是太阳的 130-250倍 ，能量巨大，所以爆发的时候威力也比普通超新星强 100倍 左右。

特超新星的形成有两种渠道：一是 核心坍缩 ，二是 不稳定对 。

该团队主要研究的，就是不稳定对超新星。

可是，想要观测特超新星，比观测普通的超新星要难得多，因为这样的大质量恒星实在太少了。别看网上到处都是巨大恒星和太阳的对比，实际上我们发现的大质量恒星并不多，尤其是超过130倍太阳质量的。

宇宙中的确曾经有一段时期充满了如此巨大的恒星，那就是大爆炸后不足3亿年左右的时期。那个时候，宇宙第一代恒星刚刚形成，它们全都是这样的巨无霸。第一代恒星又叫 星族 III星 ，普遍是极其巨大，并且发出耀眼的蓝色光芒的天体。

它们出现得早，死亡得也快，别说是哈勃太空望远镜，即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜，也未必能够看到那么古老的宇宙。因此，与其苦苦等待着一个不知道什么时候才能问世的更加强大的望远镜，不如另辟蹊径。于是，他们决定利用超级计算机，模拟特超新星爆发的过程。

当然，这不是人类第一次利用计算机模拟这个过程，但是他们是首次将这个过程模拟得如此深入的团队。以往的模拟都是将时间限制在30天内，而这一次 他们模拟到了爆发后300天的时间 。

他们之所以模拟得这么久，就在于 镍-56 的存在。镍-56是超新星爆发持久的主要因素，如果不是它的存在，超新星爆发将会只是一闪而过。为了能够更加全面地了解超新星爆发的过程，该团队对三颗独立的恒星进行了模拟。

在日本国立天文台（NAOJ）的计算天体物理中心（CfCA），有一台强大的超级计算机—— Cray XC50 。Cray XC50是美国Cray公司发布的一台超级计算机，发布于2016年，一度号称是当时世界上最强的超级计算机之一。2018年，CfCA采购了一台Cray XC50，通过其强大的计算力进行科研 探索 。

陈科荣等人最终决定，利用这台超级计算机，来模拟特超新星爆发的过程。

即使它的计算力如此强大，模拟工作也仍然挑战重重。陈科荣介绍：“模拟的规模越大，保持分辨率所导致的计算难度就对计算机要求越高，更不用说其中涉及的物理学理论也非常复杂。”好在他们此前就做过类似的模拟，这一次通过更加完善的代码和程序结构，保证了模拟过程的顺利进行。

一颗质量达到太阳200倍的大质量恒星，可以合成个太阳质量的放射性元素镍-56。 他们相信，如此大量镍-56的衰变过程，在极大程度上反应了特超新星爆发的各个不同阶段。这些镍-56绝不仅仅是延长特超新星亮光的瞬间那么简单，还“可能在深处提供重要的爆发动力效应，这会导致不同元素的混合、给观测提供重要的信号。”

正是通过这些信号，他们获得了前所未有的模拟结果。

在镍-56刚刚开始衰变的时候，被加热的气体就开始向外膨胀，形成一个具有薄外壳的结构 。他们在论文中指出：“气体外壳以内的温度极高……大约30%的能量用来推动气体、另外的~70%能量极有可能就是超新星的光源。以往的模拟过程都忽略了推动气体的效应，导致超新星的亮度都被高估了。”

在爆发后的200天左右，炽热的镍-56气泡也形成了一个外壳 ，这个外壳位于喷射物形成的硅质结构附近。这个阶段，镍-56衰变的能量开始更多地向推动喷射物向外膨胀的过程转移，导致超新星的亮度不再那么耀眼。

正如我们前面所说的那样，第一代恒星至今仍然无法被我们观测到。虽然本文的作者很有信心，但我们前几天也介绍过，另外一位科学家认为即使是明年发射的 詹姆斯·韦伯太空望远镜 乃至欧南台的 极大望远镜 ，恐怕也仍然不足以直接观测到第一代恒星。因此，对于这些恒星的爆发进行模拟是非常重要的，也是目前我们仅有的能够研究特超新星爆发的手段之一。

这些第一代恒星的爆发，为当初那个只有氢和氦以及微量锂的宇宙提供了大量更重的元素，而这些元素正是创造生物、地球乃至今天这个宇宙的基础。 如果不是这些特超新星爆发，宇宙不会是今天的模样 。

我们对宇宙的演化如此好奇，却又如此无力。对于现在的我们来说，能够用于研究早期宇宙的手段还非常有限，计算机模拟正是其中之一，这也是超级计算机存在的重要意义之一。宇宙啊，你到底为何是今天这副模样？或许在几十年后，我们才能得到答案吧！