預測下一個超新星爆炸 —
全新輻射流體模擬揭示超新星震波爆炸的物理機制
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2024年11月19日
中央研究院天文及天文物理研究所博士生陳文翊和助研究員陳科榮領導的研究團隊，在揭示超新星震波物理機制上取得重大突破。團隊利用中研院天文所的高效能運算主機Kawas，經過兩年多密集計算，創建全球第一個二維多波段輻射流體模擬，揭示震波閃光的物理機制。此模擬能夠精確描述不同能量的光子傳輸及其對震波動力學的影響，計算所得的震波閃光信號也可以與實際觀測資料進行比對。研究成果發表於最新一期的《天文物理學期刊》。
介於10至30倍太陽質量的恆星到了演化末期，核心會形成鐵核，最終塌縮為中子星，並藉由微中子釋放巨大重力位能，引發震波，將整顆恆星摧毀。震波以超音速在恆星內部傳遞，並在超新星形成過程中扮演著關鍵角色。當震波傳至恆星表面時，內部的光子能量開始有效擴散至震波前端，產生極亮閃光，稱為「超新星震波突破」。這個突破閃光的持續時間很短暫， 約在數小時之間，與其前身恆星的質量與半徑有關。 輻射波段主要集中在高能的X光與紫外線區域，且發生時間遠早於可見光變曲線，因此可以視為預測超新星爆發的前哨信號。
研究團隊的模擬重點是著名的超新星1987A，因其距離適中且年輕的特性，提供一個研究從核心塌縮超新星演化到超新星殘骸的獨特機會。團隊發現，超新星前身星的環境對震波閃光有極大影響，因此，震波閃光可以用來研究超新星爆炸的環境，進而推論恆星周圍物質結構與質量損失間的關係。多維度模擬顯示，震波突破時的流體不穩定性會增強閃光亮度並延長其持續時間，這與之前一維模擬的結果有顯著差異，徹底改寫我們對超新星震波閃光的理解。
論文第一作者陳文翊指出：「輻射先驅與恆星周圍介質的交互作用是形成震波爆發信號的關鍵。我們新的多維度、多波段模擬能更準確描述震波爆發期間的複雜輻射流體動力學。」共同作者、本所訪問學者小野勝臣博士也表示：「這項研究清楚顯示，即使是球狀爆炸，來自二維輻射流體力學的震波爆發信號可能與一維模型有所不同。多維輻射流體力學對於評估核心塌縮超新星的震波爆發信號至關重要，尤其是在不均勻的星際介質環境中。」
研究團隊主持人陳科榮博士強調：「這些模擬為未來超新星的觀測與預測提供了重要的參考資料。下一代的X光與紫外線太空望遠鏡將能捕捉更多超新星震波閃光，幫助我們進一步了解超新星早期演化及其前身恆星的演化過程。」
極新星的震波突破：極新星是比超新星更為劇烈的天文現象，其爆炸能量超過超新星十倍以上。這種極具威力的爆炸通常伴隨著強大噴流，並在恆星的兩極形成明顯的震波突破結構。噴流不僅驅動爆炸，還導致內部產生強烈的流體不穩定性，進一步混合恆星內部的物質。最新的觀測資料顯示，著名的超新星1987A，可能也與噴流作用密切相關，並非傳統一維模型所預測的純球型對稱性爆炸。圖片來源：中研院天文所/陳科榮
早期超新星爆炸的過程中，強大的震波衝破恆星外層大氣，爆炸後的氣體充斥著紊流結構。圖片來源：中研院天文所/陳文翊
早期超新星爆炸過程中的震波與星際介質互動。在早期超新星爆炸的過程中，強大的震波衝擊恆星周圍的星際介質。這些星際介質常呈現出「甜甜圈」狀的結構，可能是恆星在晚期演化階段的質量散失所形成的。當震波撞擊這些物質時，會產生非常明亮的光芒和激烈的紊流現象。這種震波與周圍物質的互動，為我們提供恆星晚期質量散失與震波動力學的關鍵線索。圖片來源：中研院天文所/陳文翊
更多資訊：
本篇論文發表於2024年11月出版的天文物理期刊（Astrophysical Journal），篇名：Multidimensional Radiation Hydrodynamics Simulations of Supernova 1987A Shock Breakout
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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
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