当一颗恒星在其生命的尽头爆炸时，它会将在其核心中锻造的元素散布到广阔的空间中。其结果，即被称为超新星遗迹的引人注目的气体和尘埃结构，包含了长期以来一直困扰研究人员的结构。但是，超新星在银河系中每世纪只发生一到两次，而且通常没有预警，这使得研究它们的初始时刻变得困难。研究人员已经通过模拟对这些事件进行了建模，但是计算限制要求他们对更精细的细节做出假设。
佐治亚理工学院的研究人员希望通过一项新的实验来改变这种状况，该实验旨在观察超新星中的气体如何混合，从而证实并帮助改进之前的模拟。他们楔形的装置——他们有时称之为“超新星披萨”——顶部宽约四英尺，厚度大约是一扇双开门，封闭着两种分离的惰性气体。它的形状使其能够重现空间中圆柱体或球体切片内发生的物理动力学。该团队在楔形的尖端引爆商业雷管，这模拟了超新星的中心，爆炸波混合了两种气体。一台高速摄像机每 0.1 毫秒拍摄过程图像，揭示了大约相当于超新星爆炸后最初一小时的情况。研究人员在6 月份的《天体物理学杂志》上描述了这项实验。
该团队观察到，沿着两种气体相遇的线上的微小扰动是如何被爆炸波的推拉性质放大的，形成了蘑菇状的扰动，这些扰动迅速变大。这些气体卷曲产生了湍流，最终形成了低密度气泡和长而高密度的尖峰。如果尖峰移动得足够快，它就会断裂并像子弹一样加速，穿透几层气体。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
研究人员一直对来自超新星爆炸深处的重元素外流感到困惑，这些外流的行为与这些尖峰相似。“我们不清楚我们看到的是爆炸内在的、不对称的性质，还是实际上是由于湍流造成的，”加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台的超新星理论家安东尼·皮罗说，他没有参与这项研究。皮罗说，这项新研究说明了湍流可能产生多大的影响，尽管有必要进行进一步的检查以了解该模型的局限性。
在模拟超新星爆炸后的毫秒内，气体向外膨胀。图片来源：DEVESH RANJAN、STAM 实验室和佐治亚理工学院
皮罗说，大多数超新星模型都纳入了关于较小尺度上会发生什么的基本假设，以避免数周的额外计算时间。新的研究有助于评估这些假设。密歇根大学的物理学家卡罗琳·库兰兹说，科学家现在“可以看到不同的、更小尺度的结构演变”，她也没有参与这项工作。该实验产生的结构类似于她在研究等离子体如何混合时所看到的：“理论预测它们应该是相似的，而[研究人员]发现它们确实如此。”
皮罗认为，该实验为超新星中涉及的“许多物理现象提供了惊人的证实”。他说，这将有助于校准他使用的模型，同时让科学家更好地理解超新星和遗迹观测。
构建一个盒装超新星也带来了自身的挑战。地球的引力远小于垂死恒星的引力，而微小的商业爆破器产生的能量也少得多。但是“即使爆炸的爆裂声较小，我们处理的其他事物也较小，因此比例是匹配的，”佐治亚理工学院研究生、该研究的主要作者本杰明·穆斯基说。
穆斯基说，防止气体从实验的侧壁反弹（这在太空中显然不存在）“是一场漫长而艰苦的战斗”。他花了将近一年的时间才找到一个出乎意料的简单解决方案：用新电脑包装盒中的包装泡沫衬在墙壁上。这种材料吸收气体，阻止它们反射。“这种泡沫会经常被爆炸炸成碎片，因此它减慢了我们的运行时间，”他补充道。“但如果没有它，物理现象将完全不同。”
另一个担忧是维度。皮罗指出，在二维空间中膨胀的气体的行为往往与在三维空间中不同，产生更大的涡流，并且需要更长的时间才能分解。这是研究人员未来可能会研究的方向。
该研究的首席研究员、佐治亚理工学院天体物理学家德维什·兰詹说，以前的超新星实验已经在更大的尺度上进行过。劳伦斯利弗莫尔国家实验室等站点使用数十个激光器照射铅笔橡皮大小的材料，将其蒸发以引发令人印象深刻的爆炸。兰詹说，权衡在于细节的数量：更大的实验产生的图像很少，只能瞥见产生的结构。但是超新星披萨在气体混合的几秒钟内可以拍摄 200 张照片。“我们的实验提供的是整个过程的动态视图，”兰詹说。通过结合来自两种实验的见解，“我们应该能够共同说明真实超新星中发生的事情。”
皮罗对该团队的实验是同类首个并不感到惊讶。“你必须是所有不同类型的实验技术的专家才能将所有这些结合在一起，”他说。“这个小组在实验室环境中尝试解决这些问题的创造力真的令人鼓舞。”
将这项研究与探测超新星不同方面的其他研究以及不断发展的模型相结合，将有助于研究人员最终梳理出当一颗真正的恒星爆炸时他们无法观察到的细节。“如果描述不同尺度上发生的事情的通用模型是总体目标，”库兰兹说，“使用这些实验——尤其是在不同尺度和不同条件下——可以帮助推动实现这一目标。”