一個國際天文學家團隊利用了美國勞倫斯伯克利國家實驗室和日本國立天文台的強大超級計算機。經過多年的潛心研究，耗費了五百多萬個超級計算機計算小時，他們終於創建了世界上第一個針對奇異超新星的高分辨率三維輻射流體力學模擬。這一發現將刊登在最新一期的《天體物理學報》上。

對異種超新星的三維模擬揭示了爆炸中物質噴射過程中產生的湍流結構。這些湍流結構隨後會影響整個超新星的亮度和爆炸結構。湍流在超新星爆炸過程中起著至關重要的作用，它由不規則的流體運動引起，導致複雜的動力學。這些湍流結構會混合和扭曲物質，影響能量的釋放和傳遞，從而影響超新星的亮度和外觀。通過三維模擬，科學家對奇特超新星爆炸的物理過程有了更深入的了解，並能解釋觀測到的這些非凡超新星的現象和特徵。資料來源：Ke-Jung Chen/ASIAA

超新星爆炸是大質量恆星最壯觀的結局，它們以自毀的方式結束生命週期，瞬間釋放出相當於數十億個太陽的亮度，照亮整個宇宙。在爆炸過程中，恆星內部形成的重元素也被噴射出來，為新恆星和行星的誕生奠定了基礎，並在生命起源過程中發揮著至關重要的作用。因此，超新星已成為現代天體物理學的前沿課題之一，在理論和觀測方面涵蓋了眾多重要的天文和物理問題，具有重要的研究價值。在過去的半個世紀裡，研究工作讓我們對超新星有了相對全面的了解。然而，最新的大規模超新星巡天觀測開始揭示出許多不尋常的恆星爆炸（奇異超新星），它們挑戰並推翻了以往對超新星物理學的既定認識。奇異超新星之謎在奇異超新星中，超亮超新星和永恆發光超新星最令人困惑。超亮超新星的亮度大約是普通超新星的100倍，而普通超新星的亮度通常只能維持幾周到2-3個月。相比之下，最近發現的永恆發光超新星的亮度可以維持幾年甚至更長的時間。更令人吃驚的是，一些奇特的超新星表現出不規則和間歇性的亮度變化，就像噴泉一樣噴發。這些奇特的超新星可能是了解宇宙中質量最大恒星演化的關鍵。這張圖片描述了奇異超新星的最終物理分佈，四個不同顏色的象限代表了不同的物理量： I.溫度；II.速度；III.輻射能量密度；IV.氣體密度。白色虛線圓圈表示超新星光球的位置。從這幅圖中可以看出，整顆恆星從裡到外都變得湍急。噴出物質碰撞的位置與光球的位置非常吻合，這表明在這些碰撞過程中產生了熱輻射，熱輻射有效地向外傳播，同時形成了一個不均勻的氣體層。這幅圖像有助於我們理解奇異超新星的基本物理學原理，並為觀測到的現象提供了解釋。資料來源：Ke-Jung Chen/ASIAA起源和演化結構這些奇異超新星的起源目前還不完全清楚，但天文學家認為它們可能產生於不尋常的大質量恆星。對於質量為太陽80 到140 倍的恆星來說，當它們接近生命終點時，其內核會發生碳聚變反應。在這個過程中，高能光子會產生電子-正電子對，引發內核脈動，導致幾次劇烈收縮。這些收縮會釋放出大量的聚變能量並引發爆炸，從而導致恆星的大爆發。這些爆發本身可能與普通的超新星爆炸類似。此外，當不同爆發期的物質發生碰撞時，有可能產生類似超光速超新星的現象。目前，宇宙中這種大質量恆星的數量相對稀少，這與奇特超新星的稀缺性相吻合。因此，科學家懷疑質量為太陽80 到140 倍的恆星極有可能是奇特超新星的祖先。然而，這些恆星不穩定的演化結構使它們的建模具有相當大的挑戰性，目前的模型主要局限於一維模擬。以往模型的局限性然而，以往的一維模型也存在嚴重缺陷。超新星爆炸會產生大量湍流，而湍流對超新星的爆炸和亮度起著至關重要的作用。然而，一維模型無法從第一原理上模擬湍流。這些挑戰使得深入了解奇異超新星背後的物理機制仍然是當前理論天體物理學的一大難題。模擬能力的飛躍對超新星爆炸的高分辨率模擬帶來了巨大的挑戰。隨著模擬規模的擴大，保持高分辨率變得越來越困難，大大提高了複雜性和計算要求，同時還需要考慮大量的物理過程。陳克正強調，他們團隊的模擬代碼與歐美其他競爭小組相比具有優勢。以前的相關模擬主要局限於一維和少數二維流體模型，而在奇異超新星中，多維效應和輻射起著至關重要的作用，影響著光輻射和爆炸的整體動力學。輻射流體力學模擬的威力輻射流體力學模擬考慮了輻射傳播及其與物質的相互作用。這種錯綜複雜的輻射傳輸過程使得計算異常具有挑戰性，其計算要求和難度遠遠高於流體模擬。然而，憑藉團隊在超新星爆炸建模和大規模模擬運行方面的豐富經驗，他們終於成功創建了世界上首個奇異超新星三維輻射流體力學模擬。研究結果和影響研究小組的研究結果表明，大質量恆星的間歇爆發現象會表現出類似於多個較暗超新星的特徵。當來自不同爆發期的物質發生碰撞時，大約有20%-30%的氣體動能可以轉化為輻射，這就是超光速超新星現象的原因。此外，輻射冷卻效應使噴發氣體形成緻密但不均勻的三維片狀結構，這層片狀結構成為超新星的主要光發射源。他們的模擬結果有效地解釋了上述奇異超新星的觀測特徵。通過尖端的超級計算機模擬，這項研究在深入了解奇異超新星物理學方面取得了重大進展。隨著下一代超新星巡天項目的啟動，天文學家將探測到更多的奇異超新星，進一步加深我們對通常大質量恆星最後階段及其爆炸機制的理解。