最新模拟揭示超新星冲击爆发的物理学原理

中央研究院天文研究所（ASIAA）的一个研究小组对超新星冲击波的物理学取得了突破性的见解。利用强大的Kawas计算集群，研究小组进行了两年多的密集计算，开发出世界上第一个二维多波长辐射流体力学模拟。 这些先进的模拟准确地模拟了不同能量的光子如何与冲击波动力学相互作用，从而提供了对冲击爆发闪光的详细了解。

超新星是比超新星更加剧烈的天文现象，其爆炸能量是超新星的十倍以上。 这些强大的爆炸通常伴随着强烈的喷流，在恒星的两极形成明显的冲击破裂结构。 这些喷流不仅推动了爆炸，还在喷出物质中引发了强烈的流体不稳定性，进一步混合了恒星的内部物质。 最近的观测数据表明，著名的超新星1987A可能与喷流爆炸密切相关，而不是以前的一维模型所预测的球形爆炸。 图片来源：ASIAA/ Ke-Jung Chen

这一突破使科学家能够将模拟的冲击波闪光信号与实际观测数据直接进行比较，从而提高了我们研究和预测超新星的能力。 研究小组的研究成果发表在最新一期的《天体物理学杂志》上。

质量为太阳10到30倍的大质量恒星在其生命的最后阶段会发生巨大的变化。 当它们接近尾声时，会形成一个铁质内核，最终在自身引力的作用下坍缩，形成中子星。 这种坍缩释放出巨大的引力能量，主要是通过中微子释放的，它引发了强大的冲击波，将恒星撕裂。

冲击波以超音速穿过恒星，在超新星爆炸中发挥了关键作用。 当它到达恒星的表面时，冲击波的能量开始向外扩散，形成一个无比明亮的闪光，被称为"超新星冲击爆发"。 这种闪光的持续时间取决于恒星的大小和质量，通常只持续几个小时。 这一事件的大部分辐射都是以 X 射线和紫外线的形式发出的，早在肉眼看到爆炸之前就已经出现了。

由于冲击波爆发发生在超新星过程的早期，因此它可以作为一个宝贵的预警信号，帮助天文学家预测恒星即将发生爆炸的时间。

在超新星爆炸的早期阶段，强大的冲击波会冲破恒星的外层大气，爆炸后的气体充满了湍流结构。 图片来源：ASIAA/陈文怡

研究小组的模拟重点是著名的超新星1987A，它为研究从核心坍缩超新星到超新星残余物的演变提供了一个独特的机会。 研究发现，原恒星的环境对爆发闪光有重大影响，这表明闪光可用于研究超新星爆炸周围的条件，并推断星周介质与恒星质量损失之间的关系。

多维模拟显示，冲击爆发过程中的流体不稳定性增强了闪光的亮度并延长了闪光的持续时间，这与之前的一维模拟有很大不同，从根本上重塑了我们对超新星爆发闪光的认识。

超新星爆炸早期冲击波与星际介质之间的相互作用： 在超新星爆炸的早期阶段，强大的冲击波会撞击恒星周围的星际介质。 这种星际介质通常呈现出一种"甜甜圈"结构，可能是恒星在演化晚期的质量损失所形成的。 当冲击波与这些物质碰撞时，会产生极其明亮的辐射和强烈的湍流现象。 冲击波与周围物质之间的相互作用为了解晚期恒星的质量损失和冲击波的传播动力学提供了重要线索。 资料来源：ASIAA/陈文怡

"辐射前体与周围介质之间的相互作用对于形成冲击爆发信号至关重要。 我们新的多维、多波段模拟可以更准确地描述冲击爆发过程中复杂的辐射流体动力学。"ASIAA 研究的共同作者 Masaomi Ono 博士补充说："这项研究清楚地表明，即使对于球形爆炸，二维辐射流体动力学得出的冲击爆发信号也可能与一维模型预测的信号不同。 多维辐射流体动力学对于评估核心塌缩超新星的冲击爆发信号至关重要，尤其是在非均匀周星际介质中。"

这些模拟为今后观测和预测超新星提供了重要的参考数据。 下一代X射线和紫外线太空望远镜将捕捉到更多的超新星冲击爆发闪光，进一步加深我们对超新星早期演化和大质量恒星最终演化的理解。

编译自/ScitechDaily