突破性的模型模擬了宇宙最強大的爆炸
隨著現代天文學的發展，包括超新星和黑洞吞噬等事件在內的天文物理爆炸越來越容易被偵測到。雪城大學的一位物理學家開發了一個突破性的模型來模擬這些宇宙事件及其光輻射，從而能夠更深入地了解它們的演化過程。
一個新模型提供了對天文物理爆炸的先進見解，它追蹤了這些事件中的光線是如何與周圍物質相互作用的。 這項工作與即將發射的魯賓天文台LSST 的數據相結合，有望加深我們對宇宙現象的理解。
天體物理爆炸有幾種戲劇性的形式：大質量恆星的鐵核坍縮，形成核坍縮超新星；大質量黑洞對恆星殘留物的”稀化”和吞噬，即潮汐破壞事件；以及白矮星表面失控的核聚變，導致1-A型超新星。 這些爆炸經常發生，但大多發生在遙遠的星系中，直到最近天文學家才能夠深入太空探測到大量的爆炸，而且預計還會有更多的發現。
雪城大學藝術與科學學院物理學助理教授 Eric Coughlin（Eric Coughlin）開發了一個突破性的模型，可以快速模擬這些爆炸，並追溯我們從這些爆炸中觀測到的光的起源。 他的研究成果詳見他的論文《從”舟車勞頓”到”節約能源”》（From Coasting to Energy-conserving）： 《Astrophysical Journal Letters》發表。
考夫林說：”有了這一新的認識，我們就能模擬爆炸與周圍環境相互作用所產生的輻射，從而追踪它隨時間的演變。”
多年來，天文學家已經知道一顆巨星在自身引力坍縮下死亡的時間。 這是因為它的坍縮會導致內爆反轉，在其中心形成一顆中子星，從而引發爆炸，產生極其強烈和耀眼的爆發–現在被稱為核心坍縮超新星。 發生在我們銀河系（或其他非常近的星系）中的超新星可以用肉眼觀察到，但如今現代望遠鏡每晚都能探測到數十顆超新星。
然而，其他類型的爆炸就不那麼容易識別了，因為它們距離太遠或暗得太快。 例如，快速減弱的電磁爆發，除非我們在正確的時間和正確的地點觀察天空，否則很容易錯過。 然而，它們能釋放出與標準超新星爆炸相當的能量。
「這些爆炸每天可以釋放出數十億、數十億、數十億顆原子彈的能量，」考夫林說。 “這種瞬時高能事件在宇宙中無時無刻不在發生”。
天文學家試圖發現核心坍縮超新星和太空中其他發光、快速演變的現象，這些現象統稱為”瞬變”。 考富林的新模型將有助於這項探索。
大質量恆星的爆炸會導致其包膜被拋出，這種”拋射物”會隨著時間的推移向外膨脹，並在恆星死亡時與恆星周圍的介質發生相互作用。 這種相互作用產生了兩個衝擊波和一個接觸不連續面，統稱為”外殼”，它以產生更多光線為代價耗散動能。 艾瑞克-考富林的新模型追蹤了這個外殼隨時間變化的演化過程，它可以與這些高能量事件的觀測結果一起使用，幫助人們理解天文爆炸的物理原理。 資料來源：埃里克-考夫林/雪城大學
當新形成的中子星”反彈”並逆轉恆星內爆，推動衝擊波穿過恆星最外層時，就會發生核坍縮超新星。 大量的超新星碎片–即噴出物–被吹入垂死恆星周圍的氣體中。
噴出物最初溫度極高，輻射出大量的光，重原子核元素的放射性衰變也會產生輻射。 噴出物和周圍氣體之間的相互作用也會補充–在某些情況下甚至主導–這種輻射，因為會產生兩個額外的衝擊波，加速周圍的氣體並減速向外運動的噴出物。 這種衝擊物質的”外殼”會隨著時間的推移而向外膨脹，不僅會產生可見光，還會產生無線電輻射，表明存在衝擊加熱的氣體。 考夫林的模型提供了一種新的方法來追蹤透過這種相互作用產生的外殼的演變，它可以與射電數據一起用於推斷爆炸的特性，例如能量。
2024 年5 月日落時分，智利Cerro Pachón 上的魯賓天文台。 資料來源：Olivier Bonin/SLAC 國家加速器實驗室
考夫林將把他的模型應用到Legacy Survey of Space and Time（LSST）的數據中，該計畫將由位於智利安第斯山脈的維拉-魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）實施。 魯賓天文台將對天空進行為期10 年的研究，提供大量天文數據，天文學家將對這些數據進行分析，從而對與時間相關的宇宙有新的發現。
魯賓天文台包括一個世界級的8.4 公尺望遠鏡和一個3.2 千兆像素的照相機，這是迄今為止為天文學製造的最大的數位照相機。這台望遠鏡每隔三到四個晚上就會對南半球的整個可見天空進行成像，從而能夠探測到亮度或方向發生短暫變化的較遠或較暗的天體。
「我們將在未來10 年內觀測數十億個星系，並相應地觀測數百萬個由許多不同現象引起的瞬變現象，」考夫林說。
魯賓天文台的開放式資料集將比之前的任何資料集都更大、更詳細。
“作為一名理論天文學家，我試圖從這些數據中拼湊出一幅爆炸現象的連貫畫面，」考夫林說。 “我將努力理解其中的物理學原理，重現這些爆炸事件。”
然而，跨學科研究是點燃早期發現的必要條件。考富林獲得了由科學促進研究公司（Research Corporation for Science Advancement）提供的”Scialog”獎學金，用於開發LSST的早期科學計畫。 第一屆Scialog會議將於11月在亞利桑那州圖森市舉行，屆時將有50位早期職業科學家參加：觀測天文學家、宇宙學家、理論物理學家和天體物理學家、計算建模人員、資料科學家和軟體工程師。
Scialog 的參與者計劃透過促進合作項目，利用前所未有的資料集規模。
考夫林說：「我們需要處理和篩選的資料量高達PB（一百萬千兆位元組）。我們將把不同學科的人員聚集在一起，共同思考如何解決涉及海量資料的問題，或如何利用這些數據找出新的方法。魯賓天文台將幫助我們深入了解大質量恆星的死亡過程，因為它們正在產生巨大的能量。
編譯自/ ScitechDaily