突破性的模型模拟了宇宙最强大的爆炸
随着现代天文学的发展，包括超新星和黑洞吞噬等事件在内的天体物理爆炸越来越容易被探测到。锡拉丘兹大学的一位物理学家开发了一个突破性的模型来模拟这些宇宙事件及其光辐射，从而能够更深入地了解它们的演变过程。
一个新模型提供了对天体物理爆炸的先进见解，它追踪了这些事件中的光线是如何与周围物质相互作用的。 这项工作与即将发射的鲁宾天文台 LSST 的数据相结合，有望加深我们对宇宙现象的理解。
天体物理爆炸有几种戏剧性的形式：大质量恒星的铁核坍缩，形成核坍缩超新星；大质量黑洞对恒星残留物的"稀化"和吞噬，即潮汐破坏事件；以及白矮星表面失控的核聚变，导致1-A型超新星。 这些爆炸经常发生，但大多发生在遥远的星系中，直到最近天文学家才能够深入太空探测到大量的爆炸，而且预计还会有更多的发现。
锡拉丘兹大学艺术与科学学院物理学助理教授埃里克-考夫林（Eric Coughlin）开发了一个突破性的模型，可以快速模拟这些爆炸，并追溯我们从这些爆炸中观测到的光的起源。 他的研究成果详见他的论文《从"舟车劳顿"到"节约能源"》（From Coasting to Energy-conserving）： 《Astrophysical Journal Letters》上发表。
考夫林说："有了这一新的认识，我们就能模拟爆炸与周围环境相互作用所产生的辐射，从而追踪它随时间的演变。"
多年来，天文学家已经知道一颗巨星在自身引力坍缩下死亡的时间。 这是因为它的坍缩会导致内爆反转，在其中心形成一颗中子星，从而引发爆炸，产生极其强烈和耀眼的爆发--现在被称为核心坍缩超新星。 发生在我们银河系（或其他非常近的星系）中的超新星可以用肉眼观察到，但如今现代望远镜每晚都能探测到数十颗超新星。
然而，其他类型的爆炸就不那么容易识别了，因为它们距离太远或暗得太快。 例如，快速减弱的电磁爆发，除非我们在正确的时间和正确的地点观察天空，否则很容易错过。 然而，它们能释放出与标准超新星爆炸相当的能量。
"这些爆炸每天可以释放出数十亿、数十亿、数十亿颗原子弹的能量，"考夫林说。"这种瞬时高能事件在宇宙中无时无刻不在发生"。
天文学家试图发现核心坍缩超新星和太空中其他发光、快速演变的现象，这些现象统称为"瞬变"。 考富林的新模型将有助于这一探索。
大质量恒星的爆炸会导致其包膜被抛出，这种"抛射物"会随着时间的推移向外膨胀，并在恒星死亡时与恒星周围的介质发生相互作用。 这种相互作用产生了两个冲击波和一个接触不连续面，统称为"外壳"，它以产生更多光线为代价耗散动能。 埃里克-考富林的新模型追踪了这种外壳随时间变化的演化过程，它可以与对这些高能事件的观测结果一起使用，帮助人们理解天文爆炸的物理原理。 资料来源：埃里克-考夫林/锡拉丘兹大学
当新形成的中子星"反弹"并逆转恒星内爆，推动冲击波穿过恒星最外层时，就会发生核坍缩超新星。 大量的超新星碎片--即喷出物--被吹入垂死恒星周围的气体中。
喷出物最初温度极高，辐射出大量的光，重原子核元素的放射性衰变也会产生辐射。 喷出物和周围气体之间的相互作用也会补充--在某些情况下甚至主导--这种辐射，因为会产生两个额外的冲击波，加速周围的气体并减速向外运动的喷出物。 这种冲击物质的"外壳"会随着时间的推移向外膨胀，不仅会产生可见光，还会产生无线电辐射，表明存在冲击加热的气体。 考夫林的模型提供了一种新的方法来跟踪通过这种相互作用产生的外壳的演变，它可以与射电数据一起用于推断爆炸的特性，如能量。
2024 年 5 月日落时分，智利 Cerro Pachón 上的鲁宾天文台。 资料来源：Olivier Bonin/SLAC 国家加速器实验室
考夫林将把他的模型应用到 Legacy Survey of Space and Time（LSST）的数据中，该项目将由位于智利安第斯山脉的维拉-鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）实施。 鲁宾天文台将对天空进行为期 10 年的研究，提供大量天文数据，天文学家将对这些数据进行分析，从而对与时间相关的宇宙有新的发现。
鲁宾天文台包括一个世界级的 8.4 米望远镜和一个 3.2 千兆像素的照相机，这是迄今为止为天文学制造的最大的数码照相机。这台望远镜每隔三到四个晚上就会对南半球的整个可见天空进行成像，从而能够探测到亮度或方向发生短暂变化的较远或较暗的天体。
"我们将在未来 10 年内观测数十亿个星系，并相应地观测数百万个由许多不同现象引起的瞬变现象，"考夫林说。
鲁宾天文台的开放式数据集将比之前的任何数据集都更大、更详细。
"作为一名理论天文学家，我试图从这些数据中拼凑出一幅爆炸现象的连贯画面，"考夫林说。"我将努力理解其中的物理学原理，重现这些爆炸事件。"
然而，跨学科研究是点燃早期发现的必要条件。考富林获得了由科学促进研究公司（Research Corporation for Science Advancement）提供的"Scialog"奖学金，用于开发LSST的早期科学项目。 第一届Scialog会议将于11月在亚利桑那州图森市举行，届时将有50位早期职业科学家参加：观测天文学家、宇宙学家、理论物理学家和天体物理学家、计算建模人员、数据科学家和软件工程师。
Scialog 的参与者计划通过促进合作项目，利用前所未有的数据集规模。
考夫林说："我们需要处理和筛选的数据量高达PB（一百万千兆字节）。我们将把不同学科的人员聚集在一起，共同思考如何解决涉及海量数据的问题，或者如何利用这些数据找出新的方法。 鲁宾天文台将帮助我们深入了解大质量恒星的死亡过程，因为它们正在产生巨大的能量。 我们最终可以了解到这些高能事件的动力是什么"。
编译自/ScitechDaily
