大部分恒星会在沉寂中了却余生，所以，想引爆生性稳定的恒星绝非易事。科学家一直试图在计算机上再现超新星爆发的全过程，却屡屡以失败告终。不过，今年在超级计算机上进行的三维模拟让他们向着成功又迈进了一步。
在1572年11月11日这一天，丹麦天文学家、贵族第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在仙后座看到一颗新的星星，它和木星一样明亮。从许多方面来说，这宣告了现代天文学的诞生——这是一个漂亮的反证，证明天空并不是固定和一成不变的。这些“新星”给人们带来的惊奇还不止于此。大约400年后，天文学家意识到它们的光芒足以让数十亿颗普通恒星黯然失色——这些必定是极为壮观的爆发。1934年，美国加州理工学院的弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)将它们命名为“超新星”(supernova)。不同于科学界其他引人注目的事什，超新星在宇宙中扮演了特殊的角色，也在天文学家的工作中起到了不同寻常的作用。它们为宇宙空间提供重元素(译注：天文学上，除了氢和氦，其他元素都归为重元素)、干预星系的形成和演化，甚至还能被用作测量宇宙膨胀的标尺。
兹威基和他的同事沃尔特·巴德(Walter Baade)推洲，爆发的能量来自引力。他们认为，一颗普通恒星的核心达到与原子核相当的密度时，就会发生内爆。就像水晶花瓶掉落在水泥地板上会摔个粉碎一样，坍缩物质释放的引力势能也足以把恒星的其他部分炸飞。1960年，另一个理论浮出水面，英国剑桥大学的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和美国加州理工学院的威利·福勒(Willy Fowler)把这些爆发想像成巨大的核弹。当一颗与太阳类似的恒星耗尽了氢和氦之后，就转而燃烧碳和氧这些元素的聚变不仅可以在瞬间释放出巨火的能量，还会产生放射性的镍56。镍56的逐渐衰变，就能解释超新星爆发后持续数周的余辉。
人们已经证明这两种观点都是正确的。光谱中不含氢元素谱线的超新星被归为I型，其中绝大多数(Ia型)似乎是山热核爆炸引起的，其余的(即Ib和Ic型)则源于恒星坍缩。在这些恒星坍缩以前，它们外部的氢元素包层就已经被剥离了(因此光谱上没有氢元素的痕迹)。光谱中含有氢元素谱线的超新星(归为Ⅱ型)也被认为是由坍缩引起的。这两种机制部会让整颗恒星爆炸，只乘下一团气体残骸，不过，引力坍缩机制还会留下一颗密度极高的中子星，在极端情况下甚至会留下一个黑洞。天文学家的观测，尤其是对超新星1987A(一次Ⅱ型超新星爆发事件)的观测，已经证实了这个理论的基本框架[参见《科学美国人》1989年8月号斯坦·伍斯利和汤姆·韦弗所著《伟大的1987超新星》一文]。
即便如此，对天体物理学家而言，解释超新星仍然是一个巨大的挑战。计算机在模拟超新星爆发方面还存在困难，更别提重现爆发的种种细节了。实际上，你很难引爆一颗恒星。它们能自我调节，数十亿年来一直非常稳定。即便是死亡的或垂死的恒星，都有办法让自己渐渐衰亡，也不至于发生爆炸。这些稳定机制是怎么失效的呢?要弄清这一点，我们需要进行多维数值模拟(multidimensionalsimulation)，这已经触及甚至超过了计算机运算能力的极限。直到最近，情况才有所改善。
爆炸难为
有关超新星爆发的过程，仍然笼罩着层层迷雾，相对而言，计算机模拟是比较可行的方法。可是完成一次复杂的模拟，竟然需要60年。
讽刺的是，人们以为会爆发成Ia型超新星的恒星，却是稳定的楷模一白矮星(white dwarf)。白矮星是一颗与太阳类似的恒星演化的最终产物。如果不受干扰，白矮星基本可以维持形成时的状态，并逐渐冷却变暗。但是霍伊尔和福勒认为，如果白矮星处在一条紧密围绕另一颗恒星运行的轨道上，它也许就会从伴星那里吸积物质，使自己的质量逐渐增大，令核心越压越紧。一旦核心达到足够高的密度和温度，就会引发爆炸性的碳氧核聚变，制造出重元素。
热核反应与普通的燃烧十分类似。燃烧锋面扫过整颗恒星，所经之地只留下一片核灰烬(主要成分是镍)。任何时候，聚变反应都只在狭窄的空间内发生，核灰烬在白矮星内部深处聚集成泡，它们的表面就是聚变反应最可能发生的地方。这些泡的密度较低，所以具有浮力，会努力地从白矮星的内部浮向表面——很像一壶沸水中的蒸汽气泡。
这个物理图景的问题在于，热核反应燃烧本该半途而废，因为燃烧释放的能量会使星体膨胀，进而冷却下来，燃烧就无法继续下去。恒星与普通的炸弹不同，它们没有外壳的束缚，不会像炸弹那样自我毁灭。
除了这个理论上的障碍，我们在实验上也一筹莫展。没有哪个实验室能够创造出超新星爆发时的极端条件，天文观测又要屈从于观测自身的局限。天体物理学家能利用的最佳方法，就是在计算机中模拟这些爆发。这是一项颇为浩大的工程。目前最精确的模拟，是我们小组使用IBMp690超级计算机完成的。我们将恒星切分为一个立体网格，每一边都等分成1，024个小格，捕捉跨度仅有几千米的细节变化。每一次运行大约需要1020次运算，对这样一个复杂的问题，超级计算机每秒钟能运算1011次。合计下来，一次模拟就要花费60年时间!在其他科学领域可用于简化模拟的计算技巧，却无法移植到超新星身上，因为超新星涉及高度不对称的流动、极端的物理条件，还有巨大的空间和时间尺度。粒子物理、核物理、流体力学和广义相对论，本身就已经够复杂了，超新星模拟却要把所有这些学科综合到一起。
汽车引擎的灵感
是慢慢地燃烧殆尽，还是在激波的推动下轰然爆炸?湍流在其中是否扮演了一个重要的角色?直到建立起三维模型，科学家才发现超新星爆发的过程比想象的更复杂。
解决这个问题的灵感来自一个意想不到的领域——汽车引擎的原理。在引擎中混合汽油和氧气，点燃后就会产生湍流。然后，通过翻腾和拉伸，湍流增加了燃烧的表面积。燃料利用率与燃烧的表面积成正比，也会随之上升。恒星也同样被湍流左右。气体以极高的速度运动，所以即使是微小的扰动，也会迅速把平稳的气流搅成湍流。在超新星中，上升的高温泡会搅动物质，造成核燃烧高速传播，使恒星根本没时间作出反应。
在正常工作的内燃机中，受到热量在物质中扩散速度的限制，燃烧只能以亚音速传播——这个过程叫做爆燃(deflagration)；对于一个饱受爆震(knocking)之苦的引擎来说，从燃料和氧化剂的混合物中一扫而过的激波驱使火焰以超音速传播，同时对混合物加以压缩——这个过程叫做爆轰(detonation)。热核燃烧也能以这两种方式传播。更为剧烈的爆轰会让整个恒星化为灰烬，只留下高度聚合的元素，例如镍和铁。然而，天文学家观测发现，这些爆发中包含着更为多样
的元素，包括硅、硫和钙等。这说明，至少刚开始的时候，热核燃烧是以爆燃形式传播的。
在过去几年里，我们的研究组、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的小组，和美国芝加哥大学的小组最终建立起了令人信服的爆燃模型。我们的计算机程序借鉴了为化学燃烧，甚至为天气模拟而研发的方法。湍流本质上是一个3维的过程。在湍动的流体坍缩过程中，动能从大尺度结构流向小尺度结构，最终以热量的形式释放。换句话说，这些流动构成了越来越精细的结构。因此，模拟也必须是3维的——这也是为什么这些模拟直到最近才变得切实可行的原因。
包含所有维度的超新星模拟揭示了复杂的蘑菇状结构——高温泡在分层的流体中不断上涌，在湍流的作用下翻腾拉伸。湍流提高了核聚变速率，使白矮星在几秒钟内土崩瓦解。白矮星的碎片会以1万千米／秒的速度向外飞出，这与观测结果相吻合。
仍有很多问题悬而未决。目前根本不清楚最初是什么机制点燃了白矮星。另一个问题是爆燃机制应该会抛射出大量未经改变的白矮星碎片，但观测显示，仅有少量的星体残骸没有发生变化。因此，超新星爆发不可能完全是爆燃过程，必然还涉及一部分爆轰过程，理论学家还必须解释为什么会发生这两个过程。这两个燃烧过程也无法解释人们观测到的、变化多端的爆发现象。还有可能，白矮星吸积并不是引爆Ia型超新星的唯一途径，两颗白矮星的并合也是一种可能。
引办的坟墓
核心坍缩造成的超新星更让人焦头烂额，原本以为坍缩释放的引力能会引起爆炸，可是研究发现早在爆炸之前，能量就已经耗尽。一定有其他机制在暗中作祟。难道看似安分的中微子也参与了引爆恒星的行动?
由恒星核心的坍缩造成的另外一大类超新星则更难解释。从天文观测的角度来说，这些超新星比热核超新星更加形式多样：其中一些含有氢元素，另一些则没有；其中一些处于稠密的星际介质中，另一些却几乎位于真空；其中一些会抛射出大量的放射性镍元素，另一些则不会。爆炸产生的能量及爆炸的速度也千差万别。最剧烈的爆炸不仅会产生标准的超新星，还会引发持续时间较长的r射线暴[参见《科学美国人》2002年12月号尼尔·格雷斯、路易吉·皮罗和彼得·J·T·伦纳德所著《宇宙中最明亮的爆炸》一文]。多样性只是长期以来一系列悬而未决的问题之一。科学家认为，核心坍缩超新星是金、铅、钍和铀等最重元素的主要来源，而这些元素只能在特殊环境下才能产生。但没有人确切地知道，在恒星核心内爆时，是否一定会产生创造这些重元素所需的特殊条件。
尽管核心坍缩的基本概念看似十分简单——坍缩释放的引力能会炸飞物质，但具体的细节却难以掌控。质量超过10倍太阳质量的恒星在临近生命终点时，内部会形成类似洋葱的结构，每一层中都包含着不同的元素，由外到内，元素越来越重。核心主要由铁构成，电子间的量子排斥力维持了恒星结构的稳定。不过最终，恒星引力会压倒电子间的斥力，把电子压入原子核。在那里，电子和质子发生反应，形成中子和电子中微子。然后中子和剩下的质子会进一步靠近，直到它们之间的斥力开始发挥作用，阻止进一步坍缩。此时的恒星内核，其实已经坍缩成了一个主要由中子构成的、极其致密的星体，也就是所谓的“中子星”(neutron star)。
此时，内爆会反向变成强大的外流。掉进引力势阱(gravitationalwell，引力势能曲线呈现出陷阱一样的低谷。掉入其中的物体陷得越深，逃逸时需要的能量就越大)深处的物质会再一次被抛射出去。在经典理论中，这个任务是由激波来完成的。在恒星坍缩的过程中，恒星外层物质以超音速向下跌落，当它撞到突然停止坍缩的坚硬内核时，就会反弹出去，产生激波。激波在向外传播的过程中，会压缩并加热它扫过的物质。
问题是激波的能量有限，最后不得不停下来。模拟显示，在炸飞恒星之前，内爆的能量就已经耗尽。那么，恒星怎样才能引爆自己呢?
1966年，科学家斯特林·科尔盖特(Stifling Colgate)和理查德·怀特(Richard White)的开创性工作，以及80年代早期吉姆·威尔逊(JimWilson)更为现代的计算机数值模拟，为这个问题提供了解决方案的雏形。这3个人当时供职的机构，就是现在著名的美国劳伦斯利物莫国家实验室。他们认为激波不是核心能量抵达恒星外层的唯一途径，也许坍缩过程中产生的中微子也在推波助澜。乍一看，这个想法很奇怪，因为中微子极不活跃。它们和其他粒子的相互作用微乎其微，因此甚至很难探测到它们。但在一颗正在坍缩的恒星里，它们却被赋予了足以引爆恒星的能量——在极端的高密度情况下，中微子会与物质更强地耦合(couple，这里是指中微子和物质之间的各种相互作用)，加热超新星内核外的一层物质，在激波停滞之后仍能使得压力升高。
火箭科学
超新星爆发本来就是不对称的。正是由于受力不均，爆发形成的中子星才能如此迅速地被抛射出去。
中微子施加的额外推力能否让激波复苏，并驱动它向外传播完成爆炸呢?对这一过程所做的计算机模拟给出了否定的结论。尽管气体会吸收中微子，但它同样也会放出中微子，模拟显示损失的中微子占了上风，爆炸仍然会功亏一篑。但是这些模型都采用了一个极端的近似——假设恒星是球对称的。因此，它们忽略了多维度上的一些重要现象，例如对流和旋转。这些在多维度中发生的过程显然十分重要，因为观测到的超新星遗迹都呈现出与球形相差甚远、高度杂乱的形状。
意识到这一点，似乎是解决超新星问题的关键。多维数值模拟显示，超新星内核周围被中微子加热的等离子体，会形成轻浮的气泡和蘑菇状的上涌喷发结构。对流会将能量传递给激波，推动它向外传播，引爆整颗恒星。
这幅新的物理图景蕴含着引人入胜的深层内涵。在爆炸速度相对较低的情况下，原本被向下流动的低温物质分隔开来的高温等离子体泡，就会有时间合并起来，最终形成少量甚至单个上升的气泡，它们被强烈的下落气流包裹。结果产生了偏向一侧的爆发，这解释了为什么超新星遗迹的形状总是如此不规则。另一种不对称就是，停滞的激波波前会发生形变，导致爆炸发展成沙漏的形状。当复苏的激波向外冲出，扫过恒星洋葱状的壳层结构时，会带来额外的流体不稳定性。恒星终其一生合成的化学元素和爆炸过程中合成的元素都被混合到一起。
由于爆炸的不对称性，恒星残骸在某个方向上受到的推力较为猛烈，中央的中子星就会被踢向相反的方向，就像你从滑板上一跃而下，滑板就会向反方向滑开一样。我们小组发现反冲的速度超过每秒钟1，000千米，这与观测到的大多数中子星的运动速度吻合。一些中子星运动得较慢，这说明在产生这些中子星的那些爆炸中，等离子泡还没来得及合并。因此，我们得出了一个统一的物理图像，许多看似不同的现象其实都拥有一个共同的内在原因。
虽然在过去的几年中，科学家们取得了巨大的进展，但迄今仍没有一个模型能完全真实地描述辉煌绚丽的超新星爆发的全过程。所有模型都经过了近似和简化。一个完整的模型必须包含7个维度：空间(3维)、时间、中微子能量以及中微子速度(用两个角坐标描述)。另外，它还要包含所有3种类型的中微子，或者说3种味(flavor)的中微子(中微子分为电子中微子、μ子中微子和T子中微子)。放眼全世界，为了完成这样—个模型，人们都在全力以赴发展全新的计算机硬件和软件。
弄清是否还有其他方式可以引爆恒星，是科学家众多目标之一。例如，磁场也许可以利用新生中子星的转动能，给激波一个额外的推动。磁场也可以沿着转动轴向外挤压物质，形成两极喷流(jet)。这些效应也许可以解释最猛烈的爆发，特别是r射线暴，它们似乎具有接近光速的喷流。这类猛烈爆发的核心可能会坍缩形成一个黑洞，而不是一颗中子星。
在理论模型取得进展的同时，观测也已突入过去未曾涉足的领域。除了电磁辐射之外，中微子和引力波也正在成为新的观测手段。坍缩的恒星核心、爆炸开始时的剧烈湍动以及核可能转变成黑洞的过程，不仅会引发中微子暴，还会扰动时空结构。与受制于外层物质而无法直接探测的光子不同，中微子和引力波可以从爆炸的中心突围而出。对于恒星死亡的传奇过程，新的中微子和引力波探测器也许能给我们带来新的惊奇。
