獨步全球! 超級電腦模擬「磁星」驅動超新星爆炸

(中央研究院天文及天文物理研究所研究成果，發表時間：2020年4月23日)

超新星爆炸是宇宙中最壯麗的恆星爆炸，也是現代天文物理熱門主題之一。然而新的超新星觀測計畫在近幾年來取得的豐富觀測成果，卻更嚴重挑戰著過去對超新星爆炸機制已建立的理解，凸顯出理論模型的不足。

天文學家開始懷疑「為什麼？發現越來越多『新型態』的超新星？」（譬如：超乎想像的亮？）

對於這一大疑問，專精於理論模擬的中研院天文所陳科榮助研究員，透過與美國柏克萊國家實驗室的超級電腦專家們聯手，已首度完成超大尺度、精密的模擬計算，對怪現象提出解答，成果對研究超新星爆炸，乃至於後來恆星的形成、宇宙演化具有重要影響，於4月20日發表在【天文物理期刊】。

超新星是現代天文物理前沿主題之一，在理論與觀測上饒富科學價值，獲得許多深入探討。新一代的大型超新星巡天觀測，揭露許多前所未見、數量極多的天體爆炸，然而豐富的觀測結果也顛覆了先前所建立的超新星物理知識。從觀測中我們已知，年輕超新星內所包裹的快速旋轉磁星（magnetar），它發出的輻射可使超新星大幅增亮。然而在這些研究中，卻同樣也顯示之前一維模型的嚴重缺陷－－超新星爆炸時會產生大量紊流，所以紊流對於超新星的爆炸與亮度，自然是扮演著關鍵角色，然而，一維模型本身卻是無法模擬流體的不穩定性與紊流形成。

圖一（左）：包裹在超新星內部，快速旋轉的「磁星」，是宇宙中磁場最強的天體，藉由磁場所釋放的能量，與一般超新星爆炸能量不相上下。這種磁能量的釋放，不僅影響超新星亮度，更影響它整體的運動。圖右是史上首度對磁星所驅動的熱氣泡以三維模擬呈現。由中研院天文所陳科榮團隊發表。

圖像版權：中研院天文所/陳科榮

陳科榮助研究員表示：「流體不穩定性在日常生活中隨處可見，比如說如果把墨水放在純水上面，墨水的密度比較大，很自然會往下沉，造成兩個不同性質的流體混合，還有，咖啡與奶精也是，可想而知，模擬這類的物理機制至少需要二維或三維的空間，因為一維尺度就像單車道，一旦堵車，後面的車沒法往前，至少需要兩個車道，後面快速的車輛才有超車的機會，這邊墨水就像是高速車輛，需要超車才能混合。」

在最新一期的【天文物理期刊】上，陳科榮團隊已發表史上首次「以三維流體力學模擬磁星驅動超新星」的結果。

解析到這種尺度的模擬在技術上有多困難？陳科榮表示：「這個模擬空間尺度大約是100個天文單位(AU)，相當於一個太陽系大小，但是磁星本身的半徑只有10公里，大約跟台北市差不多大，整整差了近百億倍。如果把人體比喻成一個超新星，磁星就像是一顆小小的冠狀病毒，卻能對人體健康有強大的危害，所以必須發展新的數值方法，來把這麼小卻重要的物體解析出來。」

而本次這個問題得以突破，正是因為陳科榮在此領域多年的超新星研究經驗，加上他發展了全球獨家的超高解析度演算法。另一方面，這些模擬所需要的計算資源非常龐大，需要數百萬電腦小時，只有在世界上最強大的超級電腦(位於美國柏克萊國家實驗室的國家能源計算中心)才能有辦法執行這樣大型的數值計算，最後，利用中研院天文所的高效能電腦來進行資料分析與繪圖。

從模擬結果，陳科榮發現，這類超新星的爆炸殘骸，會在兩種尺度下形成流體力學不穩定性，而不像一般的核心塌縮超新星（core-collapse supernovae）只有一種不穩定性。這兩種流體不穩定性分別在：磁星的能量所致的熱氣泡裡，以及超新星推開周遭氣體時的爆炸震波。兩種流體不穩定性，都在爆炸中造成比一般超新星更多的流體混合，顯著影響爆炸事件的光變曲線和光譜，這是之前一維簡化模型無法得到的結果。

另外同時還發現，磁星所放出的輻射能量可以將內部的重元素如鈣、矽、鐵加速到每秒12000公里，這樣便能夠解釋觀測中看到「譜線致寬」（譜線「變寬」）的重要現象。

陳科榮還以跳高比賽來比喻這項天文難題得到突破的顯著性：「通常在跳高競賽中，瘦子們(較輕元素)會比胖子(重元素)厲害，可是觀測資料卻不是這樣，當然很奇怪。我們研究所得到的結果說明，原來胖子能跳贏瘦子是有一個秘密武器，因為他們都穿了最新科技的火箭彈簧鞋，咻一下就加速衝上去了。在這裡，磁星發出來的能量就是扮演火箭鞋的角色，推著胖子向上衝、跳得比瘦子高。由於超新星中心的脈衝星（pulsar）也能提供類似的加速機制，因此，存在多年的天文物理難題：『核心塌縮超新星如超新星1987A，為何能在其早期就觀測到高速的鐵元素？』目前用這個理論就可以得到完美解釋」，此項研究成果也將應用在解釋更多相關超新星觀測資料與探索其脈衝星的物理性質。

名詞解釋

磁星（Magnetar）: 中子星的一種，自轉的週期約一毫秒，磁場可高達到地球磁場的一百兆倍，是宇宙中磁場最強的物體。

核心塌縮超新星（Core-collapse Supernovae）：在大質量恆星演化的末期，其中心會形成鐵核，一旦鐵核質量大於其臨界質量將會塌縮並產生巨大能量造成超新星爆炸。

脈衝星（Pulsar）: 是中子星的一種，可視為弱磁場的磁星，因為會發射週期性脈衝訊號而得名。

譜線致寬（line broadening）：在氣體中發出輻射的原子有速度的分佈，每個原子相對於觀測者都有相對的運動速度，由於都卜勒效應，輻射的光子有些紅移有些藍移，造成譜線變寬。

獨步全球! 超級電腦模擬「磁星」驅動超新星爆炸

超新星爆炸是宇宙中最壯麗的恆星爆炸，也是現代天文物理熱門主題之一。然而新的超新星觀測計畫在近幾年來取得的豐富觀測成果，卻更嚴重挑戰著過去對超新星爆炸機制已建立的理解，凸顯出理論模型的不足。

天文學家開始懷疑「為什麼？發現越來越多『新型態』的超新星？」（譬如：超乎想像的亮？）

名詞解釋

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