「極超新星」爆炸後 300 天的模樣?超級電腦告訴你

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 02 日 0:00 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


天文學有許多等待解決的問題,其中超新星(supernovae)扮演的角色就是重要議題。爆炸威力比超新星大 10 倍甚至 100 倍的「極超新星」(hypernova,又稱特超新星)更是科學家鎖定研究的對象,雖然極為罕見,但科學家透過電腦模擬了爆炸過程。

科學家對超新星進行很多研究,研究人員知道超新星的運作模式及類型,也知道超新星如何鍛造比氫和氦更重的元素,並了解爆炸時如何將這些重元素拋射至宇宙。但科學家認為這些理解與早期宇宙仍有差距。

中央研究院天文及物理研究所陳科榮助研究員主持一項超級電腦高解析度模擬研究計畫,團隊針對極超新星模擬。極超新星的能量是一般超新星 100 倍以上,且質量介於太陽質量的 130~250 倍。早期宇宙中,恆星往往擁有更大質量,推估當時可能有更多極超新星。

▲ 成對不穩定超新星爆炸模擬示意圖。(Source:ASIAA

目前「極超新星」形成理論模式有兩種,分別為「熱核極超新星模型」及「黑洞極超新星模型」。研究團隊選擇以「熱核極超新星模型」為理論架構,利用日本國立天文台 CfCA 超級電腦模擬實驗,推測這種極超新星原恆星在演化最後階段開始製造成對的正反電子,導致失控效應,使恆星壓力下降塌陷,產生巨大爆炸,恆星完全摧毀,甚至連黑洞都沒有,此過程科學家稱為「成對不穩定超新星」(pair-instability supernovae,PI SNe)。

▲ 成對不穩定超新星 3D 結構模擬示意圖,藍色立方體為整體空間,橙色為鎳 56 衰變區域。(Source:ASIAA

陳科榮助研究員研究團隊研究成果超越歐美各國,清楚模擬出「極超新星」爆炸後 300 天的模樣,並知道極超新星內部氣體運動與輻射的關係。300 天演變時間,足以獲得鎳 56(Ni-56)完整的衰變過程,並發現初期鎳 56 變過程,加熱氣體會膨脹,形成一個薄膜結構,其中約有 30%(伽瑪射線)能量用於推動薄膜運動,另外,70% 能量可能變成極超新星的輻射。早期研究因忽略氣體動力學效應,因此高估超新星的光度值。這些發現有助於進一步了解成對不穩定超新星的輻射機制及觀測特徵。

研究成果發表於《天文物理期刊》(ApJ)。

▲ 3 種不同質量的極超新星模擬狀況,紅、黃、綠、藍四色線代表鎳豐度變化,灰階為物質密度。左側(模型 1)質量為 105 個太陽質量;中間(模型 2)質量為 110 個太陽質量。右側(模型 3)質量為 225 個太陽質量。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖為示意圖,來源:Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA / Public domain)