不对称爆炸：通往超新星王国的密钥

杨晓梅

多年来，加州理工学院和其他科研机构通过超级计算机模拟，预测II型超新星的内核在爆炸前改变了形状，从完美对称的球体变得摇摆倾斜，充斥着一股股炽热的气浪，碎片和恒星的内核向相反的方向飞散。同时，计算机模拟证明，完美球体内核的模型是失败的，不会引起爆炸。

最近，美国航空航天局通过核光谱望远镜阵列对超新星1987A的残余物进行了观测，结果支持了这一推测。研究人员在残余物中检测到了放射性钛-44，它是II型（又叫作核塌缩型）超新星爆炸初期的标志性能量产物。

“钛-44是不稳定的，它逐渐衰退，最终变成钙。”加州理工学院的知名物理学教授、核光谱望远镜的重要研究人员菲奥娜·哈里森指出，“钛-44以固定的能量级发射出伽马射线，能被核光谱望远镜捕捉到。”

通过对钛-44的多普勒频变（即能量沿某一方向传播频率的变化）的分析，哈里森与其团队发现，大部分物质正远离核光谱望远镜的观察区域。此项研究的详细结果发表于2015年5月8日的《科学》杂志，有力地证明了II型超新星的爆炸机制来自其自身的不均衡性。

之后，研究人员通过核光谱望远镜观测了另一颗名为仙后座A的超新星，并创建了其残余物的钛-44图谱。尽管不像1987A那样明显，但研究人员同样发现了不均衡爆炸的迹象。

1987年，距离地球16.8万光年的一颗蓝色超大恒星的爆炸光到达地球，天文学家第一次观测到超新星1987A。对天文学家来说，这是一个重大事件，1987A不仅是数百年来探测到的距地球最近的超新星，它的发现还标志着第一次从除太阳系以外的宇宙空间中探测到中微子。

中微子是几乎没有质量的亚原子粒子，在恒星的II型爆炸过程中会大量产生。在观测1987A爆发的过程中发现中微子，为超新星的内部运行机制提供了部分基础理论。

最新的核光谱望远镜阵列使1987A再次成为研究恒星消亡之谜的天然实验室。哈里森强调说：“如果是对称球体，内核就不会爆炸。实验证明，不对称才会使得恒星爆炸。”

在计算机模拟中，恒星内核吸收的中微子引起了乱流，进而使恒星的球体形状发生改变。“乱流最终产生一股强大冲击波，引发爆炸。”克里斯汀·奥特指出。他是加州理工学院的理论物理学教授，但没有参与核光谱望远镜阵列的观测。

奥特的团队使用超级计算机对II型超新星进行了多次三维模拟，每次模拟会产生数百太字节的数据（美国国会图书馆所有的藏书大约为10太字节），但这只是超新星爆炸过程中的十分之几秒。

奥特指出，如果能对II型超新星不对称的本质有更多了解，就能解开恒星消亡的最大谜团之一：为什么有些超新星退化成中子星而有些成为宇宙中的奇点——黑洞。我们可以说，是超新星内部的极度不对称产生了双重效果：一个方向的星体出现爆炸，而剩余部分在其他方向继续衰退。奥特说：“这种情况下，也许会发生爆炸，但是最终出现的是黑洞而不是中子星。”

核光谱望远镜阵列的观测结果会有助于升级以后的激光干涉引力波天文台的工作，帮助其成功探测到来自超新星的引力波。激光干涉引力波天文台将于2015年下半年开始收集数据。引力波是穿过宇宙物质的一种微弱波，理论上II型超新星应该发射出引力波，但只有在爆炸不均衡的情况下才可以。

直到目前，加州理工学院对超新星的理论研究和实际观察仍是两个独立的领域，哈里森和奥特计划将其结合在一起，用核光谱望远镜阵列的观测结果来优化计算机模拟过程。哈里森说：“我们两人将通力合作，力图得到更为准确的模型，来解释我们观测到的1987A和仙后座A到底发生了什么。”