《环球科学》：引爆恒星

　　撰文　沃尔夫冈·希勒布兰特(Wolfgang Hillebrandt)

　　汉斯-托马斯·扬卡(Hans-Thomas Janka)

　　埃瓦尔德·米勒(Ewald Müller)

　　翻译　谢懿

　　在1572年11月11日这一天，丹麦天文学家、贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在仙后座看到一颗新的星星，它和木星一样明亮。从许多方面来说，这宣告了现代天文学的诞生——这是一个漂亮的反证，证明天空并不是固定和一成不变的。这些“新星”给人们带来的惊奇还不止于此。大约400年后，天文学家意识到它们的光芒足以让数十亿颗普通恒星黯然失色——这些必定是极为壮观的爆发。1934年，美国加州理工学院的弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)将它们命名为“超新星”(supernova)。不同于科学界其他引人注目的事件，超新星在宇宙中扮演了特殊的角色，也在天文学家的工作中起到了不同寻常的作用。它们为宇宙空间提供重元素(译注：天文学上，除了氢和氦，其他元素都归为重元素)、干预星系的形成和演化，甚至还能被用作测量宇宙膨胀的标尺。

　　兹威基和他的同事沃尔特·巴德(Walter Baade)推测，爆发的能量来自引力。他们认为，一颗普通恒星的核心达到与原子核相当的密度时，就会发生内爆。就像水晶花瓶掉落在水泥地板上会摔个粉碎一样，坍缩物质释放的引力势能也足以把恒星的其他部分炸飞。1960年，另一个理论浮出水面，英国剑桥大学的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和美国加州理工学院的威利·福勒(Willy Fowler)把这些爆发想像成巨大的核弹。当一颗与太阳类似的恒星耗尽了氢和氦之后，就转而燃烧碳和氧。这些元素的聚变不仅可以在瞬间释放出巨大的能量，还会产生放射性的镍56。镍56的逐渐衰变，就能解释超新星爆发后持续数周的余辉。

　　人们已经证明这两种观点都是正确的。

　　即便如此，对天体物理学家而言，解释超新星仍然是一个巨大的挑战。计算机在模拟超新星爆发方面还存在困难，更别提重现爆发的种种细节了。实际上，你很难引爆一颗恒星。它们能自我调节，数十亿年来一直非常稳定。即便是死亡的或垂死的恒星，都有办法让自己渐渐衰亡，也不至于发生爆炸。这些稳定机制是怎么失效的呢？要弄清这一点，我们需要进行多维数值模拟(multidimensional simulation)，这已经触及甚至超过了计算机运算能力的极限。直到最近，情况才有所改善。

　　爆炸难为

　　有关超新星爆发的过程，仍然笼罩着层层迷雾，相对而言，计算机模拟是比较可行的方法。可是完成一次复杂的模拟，竟然需要60年。

　　讽刺的是，人们以为会爆发成Ⅰa型超新星的恒星，却是稳定的楷模——白矮星(white dwarf)。白矮星是一颗与太阳类似的恒星演化的最终产物。如果不受干扰，白矮星基本可以维持形成时的状态，并逐渐冷却变暗。但是霍伊尔和福勒认为，如果白矮星处在一条紧密围绕另一颗恒星运行的轨道上，它也许就会从伴星那里吸积物质，使自己的质量逐渐增大，令核心越压越紧。一旦核心达到足够高的密度和温度，就会引发爆炸性的碳氧核聚变，制造出重元素。

　　热核反应与普通的燃烧十分类似。燃烧锋面扫过整颗恒星，所经之地只留下一片核灰烬(主要成分是镍)。任何时候，聚变反应都只在狭窄的空间内发生，核灰烬在白矮星内部深处聚集成泡，它们的表面就是聚变反应最可能发生的地方。这些泡的密度较低，所以具有浮力，会努力地从白矮星的内部浮向表面——很像一壶沸水中的蒸汽气泡。

　　这个物理图景的问题在于，热核反应燃烧本该半途而废，因为燃烧释放的能量会使星体膨胀，进而冷却下来，燃烧就无法继续下去。恒星与普通的炸弹不同，它们没有外壳的束缚，不会像炸弹那样自我毁灭。

　　除了这个理论上的障碍，我们在实验上也一筹莫展。没有哪个实验室能够创造出超新星爆发时的极端条件，天文观测又要屈从于观测自身的局限。天体物理学家能利用的最佳方法，就是在计算机中模拟这些爆发。这是一项颇为浩大的工程。目前最精确的模拟，是我们小组使用IBM p690超级计算机完成的。我们将恒星切分为一个立体网格，每一边都等分成1,024个小格，捕捉跨度仅有几千米的细节变化。每一次运行大约需要1020次运算，对这样一个复杂的问题，超级计算机每秒钟能运算1011次。合计下来，一次模拟就要花费60年时间！在其他科学领域可用于简化模拟的计算技巧，却无法移植到超新星身上，因为超新星涉及高度不对称的流动、极端的物理条件，还有巨大的空间和时间尺度。粒子物理、核物理、流体力学和广义相对论，本身就已经够复杂了，超新星模拟却要把所有这些学科综合到一起。

　　汽车引擎的灵感

　　是慢慢地燃烧殆尽，还是在激波的推动下轰然爆炸？湍流在其中是否扮演了一个重要的角色？直到建立起三维模型，科学家才发现超新星爆发的过程比想象的更复杂。

　　解决这个问题的灵感来自一个意想不到的领域——汽车引擎的原理。在引擎中混合汽油和氧气，点燃后就会产生湍流。然后，通过翻腾和拉伸，湍流增加了燃烧的表面积。燃料利用率与燃烧的表面积成正比，也会随之上升。恒星也同样被湍流左右。气体以极高的速度运动，所以即使是微小的扰动，也会迅速把平稳的气流搅成湍流。在超新星中，上升的高温泡会搅动物质，造成核燃烧高速传播，使恒星根本没时间作出反应。

　　在正常工作的内燃机中，受到热量在物质中扩散速度的限制，燃烧只能以亚音速传播——这个过程叫做爆燃(deflagration)；对于一个饱受爆震(knocking)之苦的引擎来说，从燃料和氧化剂的混合物中一扫而过的激波驱使火焰以超音速传播，同时对混合物加以压缩——这个过程叫做爆轰(detonation)。热核燃烧也能以这两种方式传播。更为剧烈的爆轰会让整个恒星化为灰烬，只留下高度聚合的元素，例如镍和铁。然而，天文学家观测发现，这些爆发中包含着更为多样的元素，包括硅、硫和钙等。这说明，至少刚开始的时候，热核燃烧是以爆燃形式传播的。

　　在过去几年里，我们的研究组、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的小组，和美国芝加哥大学的小组最终建立起了令人信服的爆燃模型。我们的计算机程序借鉴了为化学燃烧，甚至为天气模拟而研发的方法。湍流本质上是一个3维的过程。在湍动的流体坍缩过程中，动能从大尺度结构流向小尺度结构，最终以热量的形式释放。换句话说，这些流动构成了越来越精细的结构。因此，模拟也必须是3维的——这也是为什么这些模拟直到最近才变得切实可行的原因。

　　包含所有维度的超新星模拟揭示了复杂的蘑菇状结构——高温泡在分层的流体中不断上涌，在湍流的作用下翻腾拉伸。湍流提高了核聚变速率，使白矮星在几秒钟内土崩瓦解。白矮星的碎片会以1万千米/秒的速度向外飞出，这与观测结果相吻合。

　　仍有很多问题悬而未决。目前根本不清楚最初是什么机制点燃了白矮星。另一个问题是爆燃机制应该会抛射出大量未经改变的白矮星碎片，但观测显示，仅有少量的星体残骸没有发生变化。因此，超新星爆发不可能完全是爆燃过程，必然还涉及一部分爆轰过程，理论学家还必须解释为什么会发生这两个过程。这两个燃烧过程也无法解释人们观测到的、变化多端的爆发现象。还有可能，白矮星吸积并不是引爆Ia型超新星的唯一途径，两颗白矮星的并合也是一种可能。