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中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2023年9月15日
中央研究院天文及天文物理研究所（簡稱ASIAA）的陳科榮助研究員帶領國際團隊，利用美國柏克萊國家實驗室與日本國立天文台的超級電腦，在經過多年的努力鑽研和耗費超過五百萬超級電腦計算時間後，終於創造出世界第一組高解析度的三維輻射流體力學模擬，並成功描述奇異超新星的現象！這項發現將被刊登在最新一期的天文物理期刊。
超新星爆炸是大質量恆星最壯烈的結局，恆星以自爆的方式結束了其一生的歷程，瞬間釋放出相當於上億顆太陽的亮度，照亮整個宇宙。此爆炸同時噴發恆星內部形成的重元素，為恆星與行星的誕生奠定基礎，更是生命起源的關鍵之一。因此超新星成為現代天文物理的前沿主題之一，涉及理論與觀測的多個重要天文物理議題，具有極高的研究價值。近半世紀來的研究讓我們對超新星有了相對完整的認識，然而最新的大型超新星巡天觀測卻開始揭露許多非比尋常的星體爆炸（稱之為奇異超新星），這些新的觀測結果也顛覆了先前建立的超新星物理知識。
這些奇異超新星中的超亮超新星和永亮超新星最令人感到困惑。超亮超新星的亮度是一般超新星的100倍；一般超新星的亮度通常只能維持幾週到2至3個月，但最新發現的永亮超新星其亮度可以保持數年以上。更令人感到驚訝的是，有些超新星能像噴泉般不規則間歇性地明暗交替。這些奇異超新星可能握有理解宇宙中最大質量恆星演化秘密的關鍵。
對於這些奇異超新星的成因，目前仍然不明，天文學家相信它們可能來自非比尋常的大質量恆星。對於質量介於80到140太陽質量之間的恆星，在演化至生命終點前，它們的核心正進行碳元素的核融合反應。在此過程中，高能光子會產生正負電子對，引發核心的脈動，並伴隨數次劇烈收縮。這些收縮過程釋放大量核融合能量並引發爆炸，導致恆星發生激烈的噴發。這些噴發本身就像小型的超新星爆炸。更有趣的是，當不同時期的噴發物質相互碰撞時，有可能產生像超亮超新星一樣的現象。
目前宇宙中這類大質量恆星的數量相對稀少，這也與奇異超新星的數量相符。因此，科學家懷疑質量介於80到140太陽質量的恆星很有可能是奇異超新星的前身。然而，由於這些恆星的不穩定演化結構使得模擬變得相當具有挑戰性，目前的模型主要仍停留在一維度的模擬。在研究過程中，也發現之前的一維模型存在嚴重缺陷 —— 超新星爆炸會產生大量紊流，因此紊流在超新星的爆炸和亮度中扮演著關鍵角色。然而，一維模型本身無法模擬流體的不穩定性和紊流形成。這些挑戰使得深入了解奇異超新星的物理機制仍然是目前理論天文物理的主要難題之一。
超新星爆炸的高解析度模擬具有極高的挑戰性。原因在於，當模擬的尺度愈大，要保持高解析度就變得更加困難，整個計算的難度和計算量也會大幅增加，而且需要考慮更多的物理因素。陳科榮強調：「本團隊的模型在程式和建構方面較其他歐美競爭團隊有優勢。之前的相關模擬主要局限在一維和少數二維的純流體模型，然而多維度和輻射效應在奇異超新星中扮演著極其關鍵的角色，影響著超新星釋放的光和整體爆炸的動力學結構。」
輻射流體模擬必須考慮輻射本身的傳播以及其與物質的交互作用。這複雜的輻射傳輸過程使得計算變得非常困難，其計算量和難度是純流體力學模擬的數倍以上。然而，陳科榮帶領的團隊具有豐富的超新星爆炸模擬經驗，在經歷多年的嘗試後終於突破，完成世界最先進的三維奇異超新星輻射流體模擬。
研究團隊的發現指出，大質量恆星的間歇噴發現象可以呈現出類似多次亮度較低的超新星現象。當不同時期噴發的物質撞擊在一起時，約有20-30％的氣體動能轉化為輻射，這種輻射強度能解釋超亮超新星現象。此外，輻射冷卻效應會使噴發物質形成一個密度高但不均勻的三維薄膜結構，而這層薄膜就是超新星主要的發光源。模擬的結果顯示，這些特質能夠有效解釋上述奇異超新星的觀測結果。
透過最先進的超級電腦模擬，我們得以窺探這些奇異超新星並了解它們背後的物理機制。隨著下世代的超新星巡天觀測計畫的啟動，必定會探測到更多奇異超新星，進一步幫助我們更深入了解大質量恆星的最終演化過程和爆炸機制。這項研究對於理解超新星現象與恆星演化有突破性的貢獻。
奇異超新星的三維模擬呈現了爆炸時物質噴發產生的紊流結構，將隨後影響整個超新星的亮度和爆炸結構。紊流在超新星爆炸過程中扮演著關鍵角色，它是由不規則的流體運動引起的複雜動態。這些紊流結構會混合和扭曲物質，影響著能量的釋放和傳輸，進而影響超新星的亮度和外觀。透過三維模擬，科學家得以更深入理解奇異超新星爆炸的物理過程，並解釋觀測到的奇異超新星現象和特徵。圖片來源： 陳科榮/中研院天文所
圖片顯示了奇異超新星的最終物理量分佈，其中四個不同顏色的象限分別代表了不同的物理量：I. 溫度、II. 速度、III. 輻射能量和IV. 氣體密度。白色虛線圈表示超新星光球的位置。從圖中可以觀察到，在爆炸過程中，整個星體都受到大量的紊流影響。不同時間點噴發物質撞擊的位置接近光球，這代表著發生撞擊時所產生的熱輻射（輻射能量），能夠有效地傳播出去，同時造成了不均勻的氣體薄膜（在速度與密度分布方面）。分析這張圖有助於我們深入了解奇異超新星爆炸過程中的物理變化，並解釋觀測到的奇異超新星現象。紊流的產生與傳播對於超新星的演化和亮度變化有著重要的影響，因此這些研究成果對於我們理解超新星爆炸和恆星演化的過程至關重要。圖片來源： 陳科榮/中研院天文所
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本篇論文發表於2023年9月15日出版的天文物理期刊（Astrophysical Journal），篇名：Multidimensional Radiation Hydrodynamics Simulations of Pulsational Pair-Instability Supernovae
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爆炸小組: https://spes31415.wixsite.com/cosmicexplosion
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中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮
Email: kjchen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5457
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