天体物理最新研究进展论文

天文学中许多问题的答案都隐藏在深时间的面纱后面。其中一个问题是关于超新星在早期宇宙中所扮演的角色。早期超新星的任务是锻造出在大爆炸中没有锻造的更重的元素。这个过程是如何进行的？早期的恒星爆炸是如何发生的？ 三名研究人员转向超级计算机模拟来寻找答案。 他们的研究结果发表在一篇题为“镍-56衰变加热对不稳定超新星的气体动力学”的论文中。论文的主要作者是来自台湾天文学与天体物理研究所的中央研究院的陈克俊。这篇论文发表在《天体物理学杂志》上。 这项工作是关于一种特殊类型的超新星。超新星的能量大约是花园型超新星的100倍，只有太阳质量130到250倍的恒星才会出现。 科学家们对超新星进行了大量的研究。研究人员了解它们是如何工作的，以及它们的类型。他们知道如何制造比氢和氦重的元素，并在爆炸时将这些元素送入宇宙。但是在我们的理解上有一些重要的差距，特别是在早期宇宙中。 这三位研究人员想研究超新星，因为他们认为这可能给他们提供宇宙中第一颗超新星的线索，以及早期元素是如何产生的。在早期宇宙中，恒星往往质量更大，因此可能有更多的超新星。但超新星现在极为罕见。所以他们转向超级计算机模拟。通过他们的模拟，他们模拟超新星的核心，观察爆炸开始300天后爆炸恒星的样子。 超新星的形成有两种方式：核心崩塌和成对不稳定。 在一颗核心塌陷的超新星中，一颗大质量恒星已经到了生命的尽头，燃料也快用完了。随着聚变的减少，聚变的向外压力也随之下降。由于缺乏向外的压力，恒星自身的引力能会向下推动核心。最终，引力能导致核心坍塌，恒星以超新星的形式爆炸。根据恒星的质量，它可以留下一个中子星残骸，或者一个黑洞。 不稳定超新星发生在质量约为130至250倍太阳质量的超大质量恒星中。当电子和它们的反物质对应物正电子在恒星中产生时，就会发生这种情况。这就在恒星的核心产生了不稳定性，并降低了内部辐射压力，而这种压力是支持如此巨大的恒星对抗其自身巨大引力所需要的。不稳定性引发部分坍塌, 从而引发失控的热核爆炸。最终，恒星被一场大爆炸摧毁，没有留下任何残余。该团队专注于对不稳定超新星。作出这一选择的原因之一是对不稳定超新星可能产生大量的镍-56。 镍-56是镍的放射性同位素，在我们对超新星的观测中起着重要作用。镍-56的衰变是产生超新星余辉的原因。如果没有它，超新星就只是一个明亮的闪光，没有余光。 该团队使用日本国家天文台（NAOJ）计算天体物理中心（CfCA）的超级计算机进行模拟。这是一台Cray XC50，2018年开始运行，它是世界上用于天体物理模拟的最快超级计算机。这么强大的超级计算机能否帮助我们了解早期宇宙的一些情况？ 据主要作者Chen介绍，整个项目极具挑战性。在一份翻译好的新闻稿中，Chen说："模拟规模越大，要保持较高的分辨率，整个计算就会变得非常困难，对计算能力的要求也会提高很多，更何况涉及的物理学也很复杂。" 为了应对这些，Chen说，他们最大的优势就是 "精心编写的代码和强大的程序结构"。研究人员三人组有长期模拟超新星的经验，所以他们有条件做这项工作。 这不是第一次模拟超新星。其他研究人员也很想了解它们，并做了自己的模拟。但以往的模拟都是在爆炸后30天内运行，而这次的模拟却运行了300天。其中一个关键原因是镍-56。事实证明，镍-56的作用不仅仅是制造超新星的长寿光芒。它在爆炸中起到了持续的作用。为了彻底了解超新星爆炸，研究小组对三颗不同的原生星进行了模拟。一个超新星需要一个非常巨大的原星，有时超过200个太阳质量。该超新星可以制造大量的镍-56。根据论文，它们可以合成个太阳质量的放射性镍-56。除了创造这些光之外，镍-56还能做其他事情。作者在他们的论文中写道，所有这些镍-56 "还可能在喷出物深处驱动重要的动力效应，这些效应能够混合元素并影响这些事件的观测信号。" 研究小组想要探究 "超新星内部的气体运动和能量辐射之间的关系"。他们发现，在镍-56衰变的初始阶段，被加热的气体膨胀，并形成了具有薄壳的结构。 在解释模拟结果之一时，陈建国说："气体外壳内的温度极高，从计算中我们了解到，应该有~30%的能量用于气体运动，那么剩下的~70%的能量就有可能成为超新星的发光体了。"。早期的模型都忽略了气体动态效应，所以超新星光度结果都被高估了。"

大图中带颜色的方框标示出了本次发现的最早期星系的位置。小图中则是对这些星系的黑白放大图。每一个这种星系都标出了其红移值，这一数值表示其最初发出的紫外和可见光线是如何在穿越广袤的空间时被拉伸至红外波段的。其中一个红移值高达的星系可能是迄今人类观测到的最遥远星系，其形成时宇宙才诞生不过亿年左右。 12月15日消息，据国外媒体报道，一个由美国加州理工学院领衔的天文学家小组使用美国哈勃空间望远镜发现了7个迄今已知最原始，距离最遥远的星系。专家们认为其中有一个星系可能是我们迄今发现的所有星系中最古老的，其形成于宇宙大爆炸发生后大约仅仅亿年。所有7个最新发现的星系的形成时间都在130亿年之前，当时的宇宙年龄仅相当于其目前年龄的4%，那个时期常常被天文学家们称作“宇宙的黎明”，正是在那一时期，宇宙中最早期的一批星系开始形成。目前，宇宙的年龄约为137亿年。而本次的研究所发现的星系年龄涵盖了宇宙年龄在大约亿年至6亿年之间的时期，其代表的是宇宙极早期形成的首批星系的确凿证据。 天文学家们认为随着宇宙年龄的增长，其中的星系形成数量会稳定增长。由于光需要花费数十亿年时间才能穿越如此广袤的宇宙空间，因此天文望远镜就像一台时间机器，可以让我们看到数十亿年前宇宙的景象。我们看的越远，我们回溯的时间便越久远。这项最新研究的有关论文已经于近期发表于《天体物理学通报》上。在这项研究工作中，科研小组的成员们对宇宙的最边缘进行了探索，当然他们这样做也就是在窥视着宇宙最初的时光，这是哈勃观测能力的极限。 理查德·艾里斯(RichardEllis)是加州理工学院的天文学教授，同时也是研究论文的第一作者，他表示：“我们让哈勃望远镜进行了迄今最长时间的曝光，拍摄到了一些最遥远最暗弱的星系。”他说：“更深邃的视野，加上我们精心规划的观测策略共同让窥见最早期的宇宙成为可能。”这项研究是哈勃极超深场(HUDF)巡天观测计划产出的早期成果之一，该巡天项目让哈勃空间望远镜对准一小片天空进行长时间的曝光观测，从而暴露出这里存在的最黯淡最遥远的星系。这项研究是从9年前开始进行的。 天文学家们使用哈勃空间望远镜上的广角相机3号(WFC3)在哈勃极超深场天区进行近红外波段巡天。该观测开展的时间是在2012年8月和9月之间，前后持续6周时间。为了确定这些星系的距离，研究小组使用4组不同的滤镜进行观测，这些滤镜的使用让哈勃空间望远镜可以在某些特定波段上捕获近红外光。研究小组成员，英国爱丁堡大学的天文学家詹姆斯·顿洛浦(JamesDunlop)表示：“我们使用了此前还从未被用于深空成像的滤镜，并且在某些滤镜波段上进行了远比此前工作中更深邃的曝光成像，这样做是为了彻底排除这些星系中混杂有前景星系的可能性。” 这些精心选择的滤镜让天文学家们得以测量被宇宙中的中性氢吸收的光子，中性氢大约从宇宙大爆炸之后40万年开始充斥宇宙空间。恒星和星系在大爆炸之后大约2亿年开始形成。随着这些恒星和星系的逐渐形成，它们发出的剧烈紫外线横扫整个宇宙，紫外线让中性氢失去电子发生电离。这就是所谓的“宇宙再电离时期”，这段时期将一直持续到大爆炸后大约10亿年。 如果宇宙中的一切都是静止的，天文学家们应当会观测到仅有一个特定波段的光子被中性氢吸收。然而实际情况是宇宙在膨胀，这种膨胀拉伸了光波的波长。而这种波长拉伸的程度直接取决于这些光距离的远近，这就是所谓的红移效应：发光的恒星和星系距离越远，它们发出光的红移量就会越大。正是由于宇宙的这种膨胀效应，对于那些距离较远的星系，天文学家们会在波长稍长的波段上观察到这种中性氢吸收线。这种吸收线的特征让天文学家们可以判断一个发光天体的距离远近，并进一步推算出这些恒星和星系的形成年代。使用这种技术，我们不断回溯到更加遥远的时空，随着时光倒流，天文学家们视野中的星系越来越少。正如论文合著者，美国亚利桑那大学的布兰特·罗宾森(BrantRobertson)所说：“我们的数据证实了宇宙再电离是一个历时数亿年之久的缓慢过程，在这一期间星系和恒星逐渐成型。”他说：“并不存在一个特定的时刻，星系突然就出现了，这是一个缓慢的进程。” 本次进行的最新研究已经将哈勃空间望远镜的观测能力推向极限，这也说明了我们确实需要下一代的红外波段空间望远镜。当下一代空间望远镜服役，我们将能够进一步向前回溯时间，看到更加原始的星系，但是由于宇宙膨胀的原因，这些较早期时期天体发出的光的波长已经被严重拉长，进入了红外波段，这已经超出了哈勃望远镜的观测波段范围。而美国宇航局即将发射升空的詹姆斯·韦伯空间红外望远镜正是基于这一目标。来自巴尔的摩空间望远镜研究所的项目组成员安东尼·考克曼(AntonKoekemoer)表示：“尽管我们已经抵达了哈勃空间望远镜可以抵达的能力极限区域，这一成就本身事实上便正好为未来的詹姆斯·韦伯空间望远镜准备好了大展身手的舞台。我们的本次研究证明了在我们目前的极限之外还有更多其它更早期的天体，它们将是詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测目标。”