超新星模擬揭開恆星爆炸如何形成碎片雲

當某些類型恆星死亡時，它們會在明亮的火焰中熄滅，這是一種超強的爆炸，稱為超新星。超新星最常見是Ia型，始於一顆密集的白矮星，它燃燒盡所有的氫燃料。來自伴星的物質可能會在白矮星中引發失控的核聚變反應，出現大規模的爆炸，在宇宙中產生許多較重的元素，之後散發在殘留物的發光行星狀星雲，上面帶有爆炸的印記。

日本國立研究開發法人理化學研究所天體物理大爆炸實驗室的吉斯·費朗（Gilles Ferrand）及其在日本和德國的同事一直在開發可重現超新星的立體電腦模擬。他們的模擬涉及兩個步驟：第一個模擬超新星爆炸本身，而第二個模擬超新星殘留物模型。費朗解釋：「我們的目標是探索不同爆炸條件如何產生具有特徵形狀和成分的殘餘物，這些殘餘物與我們在銀河系中觀察到的相似。」

該團隊的最新模擬著重於超新星的兩個方面：爆炸如何在白矮星內部點燃，以及燃燒如何波及伴星。爆炸可以在白矮星內部的幾個地方開始，也可以同時在許多點觸發。同時，燃燒可能是爆燃（一種湍流的火，它的移動速度慢於音速），也可能涉及爆燃，然後是超音速爆發。

通過將這些選項以不同的方式組合在一起，研究人員產生了四個超新星殘留物模型​​，每個模型都有其獨特的特性。例如，極少有點火點和爆燃式爆炸的超新星產生的殘餘物具有與爆炸中心偏離的對稱殼體。相比之下，在模擬中幾乎沒有點火點和爆震產生殘餘物，其中外殼的一半厚度是另一半的兩倍。爆燃模擬中的殘餘物還表現出意料之外的緻密材料接縫。

結果顯示，最好的時間是在爆炸後大約一百至三百年內，看到超新星在它的殘留物上留下的印記。這種印記在超新星中出現的時間更長，點火點更少，並且在五百年內，模擬中的所有殘餘物總體上變成了球形。這些結果將指導天文學家解釋超新星殘留物的觀測結果。

【圖、文：節譯自日本國立研究開發法人理化學研究所2021年3月26日新聞公佈】研究全文刊登在2021年1月12日出版的《天體物理學報》