1987年，大麦哲伦星云中的一颗恒星发生了剧烈爆炸。 超新星 1987A 是自望远镜发明以来大约四个世纪以来最亮、距离地球最近的一颗超新星，几乎每个天文台都将望远镜瞄准它。 最令人兴奋的是，一个埋在地下深处的天文台从这次超新星爆炸中捕捉到了一种神秘的亚原子粒子，它被命名为中微子。
在粒子物理学的标准模型中，构成物质世界的最基本粒子是费米子和玻色子。 费米子包括6种夸克和6种轻子，这些轻子包括3种中微子。 中微子质量很小，几乎不受重力影响，而且不带电荷，不受电磁相互作用的影响，只参与弱相互作用。 中微子的寿命几乎是无限的。 当遥远的高能物体（如超新星）产生的中微子在很长一段时间内从宇宙到达地球时，它们的路径不会因为整个宇宙的磁场而改变。
正是由于这些特性，中微子成为了天文信息的顶级传播者。 事实上，中微子也是超新星现象的驱动力，它们解释了超新星爆炸的内部运作原理。 然而遗憾的是，几十年来，天体物理学家在研究中微子动力学模型时总是遇到一些致命缺陷：中微子作为一种超细粒子，是如何坍缩的？ 关于恒星极端条件下能量能否成功转移到恒星的普通物质一直存在疑问。
每当理论学家试图在计算机模拟中对这些复杂的粒子运动和相互作用进行建模时，模拟的超新星冲击波就会一次又一次地失速并回落到自身上。 因此，人们对超新星爆炸后的深层内部细节知之甚少。
爆炸的超新星就像宇宙中的一个大锅，里面沸腾着能量和物质的湍流汤。 在这个大锅中，我们日常生活中经常被忽视的粒子和力量变得至关重要。 让研究变得更加困难的是，剧烈爆炸的恒星内部基本上无法直接观察——它们笼罩在浓密的热气体云中。 研究超新星超过 35 年的普林斯顿大学天体物理学家 Adam 表示，了解超新星的细节“一直是天体物理学中一个未解决的核心问题”。
然而，近年来，天文学理论家终于深入了解了超新星爆炸背后的一些复杂机制。 伯罗斯在《自然》2021年1月号上撰文称，在最新的算法建模下重复了大量超新星爆炸的计算，最终对中微子在其中发挥作用的这个天体的演化达成了共识。 它的作用终于被科学家们了解了。
在恒星漫长的生命周期中，向内的引力与恒星核心核反应产生的向外的辐射之间存在着微妙的平衡。 但当恒星耗尽燃料时，引力就会慢慢接管。 在内部核心自行塌缩（以每小时15万公里的速度塌陷）的过程中，恒星的温度将飙升至1000亿摄氏度，核心将融合成极其坚硬的中子球。
恒星的外层不断向内压缩，但是当它们撞击不再被压缩的内部中子核心时，它们会被反弹回来并产生冲击波。 在这些冲击波形成爆炸之前，它们必须有足够的能量才能抵抗恒星引力向外逃逸。 此外，这些冲击波必须应对恒星外部质量持续向内的塌陷。
长期以来，科学家只能用模糊的概念术语来描述这种冲击波的能量。 自超新星现象研究开始以来的几十年里，计算机能力只能支持核心塌缩的简化模型。 恒星被视为一个完美的球体，冲击波从核心以完全相同的方式向其周围的各个方向释放。 然而，当模拟的冲击波在这些简单模型中向外撞击时，它会不断减慢，然后逐渐减弱。 换句话说，该算法下的超新星爆炸从未真正形成。
但近年来超级计算机发展迅速，理论家终于获得了足够的计算能力来模拟大质量恒星，其复杂性足以实现爆发。 人们正在利用以前难以想象的细节建立更精确的模型，例如中微子和物质之间的微观相互作用、流体的无序运动以及从核物理到恒星演化的许多其他物理领域。 最新进展。 此外，科学家现在每年可以运行大量算法模拟，使他们能够自由地调整模型并尝试不同的起始条件。
这项研究的转折点出现在 2015 年，当时密歇根州立大学的计算天体物理学家肖恩·库奇 (Sean Couch) 和他的合作者运行了一个三维计算机模型来分析大质量恒星坍缩的最后阶段。 时间。 虽然模拟只描绘了恒星生命结束时短暂的160秒，但它发现了一种以前完全被忽视的力量。 正是这种力量将超新星内部失速的冲击波转化为令人难以置信的猛烈爆炸。
用库什的话说，这种力量就如同埋藏在猛兽体内的粒子扭曲一样。 它们混乱且不断旋转，就像大锅炉里沸腾的水一样。 恒星内部存在着巨大的湍流。 这些长期被我们忽视的暗流，在超新星爆炸前以每秒数千公里的速度急速流动。
冲击波发生后，湍流会产生额外的压力，将其向外推离恒星中心，最终克服向内的引力。 冲击波后面推出的湍流物质在此过程中吸收了大量的中微子。 这些中微子产生的能量点燃物质并驱动冲击波最终爆炸。
用理论物理学的语言来说，这个核心产生的大规模湍流会引起元素丰度的局部变化，从而导致塌陷时核反应分布不均匀，从而导致反弹后爆炸。 然而，有一种新的解释认为，恒星中心的中子核吸积气体会形成吸积盘并产生高度定向的射流，从而以极高的速度喷射物质，同时产生水平冲击波彻底摧毁了恒星。 这些喷流可能是引起超新星爆炸的重要因素（长伽马射线爆发也可能在这里产生）。
不管怎样，研究人员多年来一直未能认识到湍流的重要性，直到最近的算法揭示了它对三维模拟的重大影响。 人类对超新星的认识，从东汉旧论文堆里的一维，提升到图像中的二维，最后变成算法中闪闪发光的三维模型。 这个过程持续了数千年。
模拟还表明，湍流可能导致不对称爆炸，使整个恒星看起来像沙漏。 当爆炸向一个方向向外推动时，物质继续向另一个方向塌缩到核心上，这种力量进一步为恒星的爆炸提供动力。
这些新的模拟使研究人员能够更好地了解超新星如何塑造我们今天看到的宇宙。 超级计算机计算爆炸的能量范围，并可以获得中子星质量的数据。 众所周知库什物理学家，宇宙中的氧、铁等重元素是由超新星爆炸产生的，因此理论家可以利用算法模拟来准确预测这些重元素在宇宙中的比例。
尽管超级计算机的计算能力呈指数级增长，但天文学领域长期以来对超新星的模拟远远少于在天空中直接观测它们。 天文学家对超新星的搜索一般可以分为两类：一类侧重于相对较近的爆炸迹象，另一类则搜索距离人类极远的超新星。 宇宙本身的膨胀使我们可以通过测量其多普勒频移来估计已知发射光谱在远处的距离（红移）； 越远的天体，后退的速度越大，所以它比附近的天体更远。 高红移。 因此，根据这一特征将搜索分为高红移和低红移。
“二十年前，每年发现约 100 颗超新星，”哈佛大学天文学家埃多·博格 (Edo Borg) 说。 “现在我们每年可以发现多达一万、两万颗超新星……”
大量新型天文望远镜提供了前所未有的观测能力。 这些天文望远镜可以快速、重复地扫描夜空，探索星空的奥秘。 相比之下，天文学理论家每年只能进行大约 30 次计算机模拟。 每次模拟可能需要长达几个月的时间，但只能生成仅持续几分钟的恒星核心塌陷过程。 漫长的前戏让科学家们既焦急又充满兴奋。
幸运的是，最新算法模拟的优势让天体物理学家对于捕捉下一次银河系爆炸感到无比兴奋。 哥本哈根大学理论天体物理学家艾琳·坦博拉认为：“我们需要改进理论模型，以了解可探测到的特征。我们绝不能错过这个机会，因为这将是一次极其罕见的事件。”
大多数超新星距离地球太远，天文台无法探测到它们的中微子。 银河系附近的超新星（如刚才提到的超新星1987A）平均每半个世纪才出现一次。 一旦近距离超新星爆炸确实发生，天文学家现在将能够通过观察其引力波直接观察爆炸中心。 不同的研究团队将观测恒星爆炸过程的各个部分，这些观测将提供不同的引力波和中微子特征。
尽管理论家们就驱动超新星的最重要因素达成了广泛共识，但挑战仍然存在。 超新星爆炸的结果取决于恒星坍缩前核心的结构。 混沌坍缩会将微小的差异放大为多重结果，因此理论家需要的是精确模拟恒星完全坍缩之前的演化，这是难以想象的。
还有许多其他学术问题尚未解决。 研究发现，超新星爆炸过程中，很可能受到磁场和中微子混合机制的影响。 那么旋转恒星核心的强磁场具体有什么作用呢？
目前还不清楚中微子究竟如何从一种类型（术语是味道）转变为另一种类型，以及这如何影响爆发。 世界上有两个主要的研究小组给出了不同的中微子能谱形式。 它们被称为利弗莫尔模型和加兴模型。 不同味道的超新星产生的中微子的温度和能量不同，反映了超新星核心的温度变化，但具体细节还需要进一步研究。
最后，最让大家关心的是，中国在超新星爆炸中微子的研究上从来没有落后过。 中科院高能物理研究所在广东江门建立的中微子地下实验室预计将于2022年正式竣工。该实验室拥有超高纯度、国内最佳能量精度的液体闪烁体中微子探测器。世界。 它可以确定中微子质量序列，并精确测量附近广东阳江和台山核电站的中微子。 中微子振荡，同时开展超新星中微子、核衰变、间接探测暗物质等前沿方向的研究。
上图中，蓝色液体闪烁体是探测中微子的介质。 当超新星爆炸产生的中微子穿过液体闪烁体时，中微子会与其中所含的质子发生剧烈碰撞。 一道极其微弱的光芒爆发出来。 这些闪烁光将被探测器外围的光电倍增管探测到，从而捕获中微子信号。 我们的科学家可以依靠大量捕获的中微子的振荡信号来确定中微子的质量级。
江门项目的伟大之处在于，它的许多设备都是世界一流的，包括世界上最大的有机玻璃容器（35.4米）； 全球检测效率最高的光电倍增管（国产微通道板光电倍增管检测效率>30%）； 世界上最透明的液体闪烁体（衰减长度>20米）等
2021年库什物理学家，我们依然向往星星，向往大海。 超新星就像浩瀚的宇宙留给我们的眼花缭乱的谜题，等待着人类不断去了解，最终了解这种神秘的空间现象。