超级计算机:模拟极超新星爆发

文章作者:lili | 2017-02-13
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本站此前曾经对超级计算机做个一些报道(链接)。也许有人不太理解,认为这个和航天领域似乎不太相关。其实不然,对于航天领域建模和模拟计算所需要的数据和运算量之大,远远超过我们的想象。而人类通过计算机的模拟,可以还原很多太空的情况。这也是航天界常用的手段和方法。而我们也常常会说到19世纪人类的未来在大海,而现在人类的未来在太空。最科学家利用超级计算机对超新星爆炸进行了模拟。这就是一个非常好的例子,说明超级计算机的作用。而在这个领域,中国已经走到了世界前列。

天体物理学家利用超级计算机首次对极超新星的爆发进行了二维模拟。极超新星是超新星的一种,爆炸时的能量相当于普通超新星爆发的100倍,直到上个十年,科学家才首次观测到极超新星。  天体物理学家利用超级计算机首次对极超新星的爆发进行了二维模拟。极超新星是超新星的一种,爆炸时的能量相当于普通超新星爆发的100倍,直到上个十年,科学家才首次观测到极超新星。

对于质量还更大的恒星,如果超过了钱德拉塞卡极限——大约为1.5倍太阳质量,那电子简并压力也无法阻挡其重力塌缩。此时恒星的内核就会崩溃,产生中微子,从而引起恒星爆发,出现超新星爆发现象。  对于质量还更大的恒星,如果超过了钱德拉塞卡极限——大约为1.5倍太阳质量,那电子简并压力也无法阻挡其重力塌缩。此时恒星的内核就会崩溃,产生中微子,从而引起恒星爆发,出现超新星爆发现象。

许多天体物理学家推测,极超新星的爆发是由高度磁化的中子星——磁星(magnetar)——所引起的。研究人员利用美国能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机和劳伦斯伯克利国家实验开发的CASTRO编码,对磁星的起源进行了进一步探索。  许多天体物理学家推测,极超新星的爆发是由高度磁化的中子星——磁星(magnetar)——所引起的。研究人员利用美国能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机和劳伦斯伯克利国家实验开发的CASTRO编码,对磁星的起源进行了进一步探索。

  据国外媒体报道,这听起来似乎是科幻电影里才有的情节,天体物理学家利用超级计算机首次对极超新星的爆发进行了二维模拟。极超新星是超新星的一种,爆炸时的能量相当于普通超新星爆发的100倍,直到上个十年,科学家才首次观测到极超新星。

  研究人员表示,此次尝试将帮助我们了解导致极超新星出现的物理条件。许多天体物理学家推测,极超新星的爆发是由高度磁化的中子星——磁星(magnetar)——所引起的。研究人员利用美国能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机和劳伦斯伯克利国家实验开发的CASTRO编码,对磁星的起源进行了进一步探索。

  “这是第一次有人对极超新星进行二维模拟,此前的研究只给出了这些事件的一维模型,”日本国立天文台的天体物理学家Ken Chen说,“通过对极超新星进行二维模拟,我们可以获得有关流体的不稳定性及其混合情况的详细信息,这些是一维模型中无法得到的。这些细节对精确描述极超新星事件的成因十分关键,并且能帮助解释与极超新星对应的观测结果,比如光曲线和光谱等。”

  一颗恒星的质量越大,其拥有的引力就越大。当恒星形成时,氢会融合形成氦,释放出能量,阻止恒星因为自身重力而塌陷。但是,对于特别巨大的恒星,氦还会继续融合形成更重的元素,比如氧和碳。最终,恒星的内核将由镍和铁组成。到了这一阶段,聚变将不再释放能量,此时阻止恒星因自身重力崩溃的便成了电子简并压力。

  对于质量还更大的恒星,如果超过了钱德拉塞卡极限——大约为1.5倍太阳质量,那电子简并压力也无法阻挡其重力塌缩。此时恒星的内核就会崩溃,产生中微子,从而引起恒星爆发,出现超新星爆发现象。

  研究人员称,超新星爆发过程中,内核的镍和铁原子会发生裂变,留下一大团混乱无序的带电粒子。带有负电荷的电子会与带正电荷的正电子碰撞,产生不带电的中子。当恒星的内核主要由中子构成时,这颗恒星就被称为中子星。其中,拥有极高强度磁场的中子星被称为磁星。

  这些中子星的密度极高,一块放糖大小的物质质量就超过10亿吨。中子星的自转速度也非常快,每秒可达数百转。由此产生的磁场可以将中子星的旋转能释放出来,转变成高能辐射,一些研究者认为,这些辐射正是极超新星的能量来源。

  利用新的模拟结果,研究人员希望能确定更精确的发生条件。“通过对磁星供能的极超新星进行更加真实的二维模拟,我们希望获得更加定量的性质结果,”Ken Chen说,“到目前为止,天文学家观测到了不到10次这类事件;随着发现越来越多,我们将能够确定它们是否具有稳定的性质。如果它们确实如此,并且我们知道其中的原因,那我们就可以用它们作为标准的参照物,在宇宙中进行距离测量。”

  研究人员表示,此前还没有人做过类似的模拟。“想要对极超新星进行多维模拟,你需要用到超级计算机和合适的编码(包括相关的微观物理学),” Ken Chen说,“这种模拟需要面对很多挑战,因此之前都没有人能做出二维模型。我们之所以能第一次完成这项工作,是因为很幸运能用到NERSC的资源,并且运用了CASTRO编码。”

  什么是磁星?

  磁星是一类罕见的具有高强度磁场的中子星,是宇宙中强度最高的磁体。在目前已知2600颗中子星中,只有29颗被归类为磁星。不过,天文学家并不知道磁星是怎么形成的。与脉冲星不同,磁星的爆发是由强磁场的能量所驱动的。当磁场突然回到较低能量的状态时,能量会以X射线和伽马射线的形式爆发出来。这意味着磁星的能量释放较为短暂,不像脉冲星那么稳定。

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