● 超新星爆發後留下美麗的圖案。 網上圖片不知大家有否聽過「超新星（supernova）」？它們是偶然會在天空中出現的「星體」，極度明亮，因此在不同的地方一早就有不少跟它們有關的記錄：例如我國的《宋會要》，就有提過在嘉佑元年（1056年）左右，天上有一顆星體「晝見如太白」（在白天的時候也好比金星般明亮），而且「凡見二十三日」（在天上見到它23天）。可見這些超新星的光度，真的不同凡響。
超新星非新生星 燃料用盡就崩塌
這些超新星突然在天空出現並綻放光芒，因此容易讓人誤以為是新出現的星星。不過現實並非如此：今天和大家介紹的超新星種類，反而與星星的死亡有關，而且甚至不算是「星星」。那麼這種「超新星」究竟是什麽來着？
一般星星在發熱發光的時候，其實是在將它們中心的燃料慢慢燃燒，並且利用伴隨着高溫而來的壓力去支撐起整顆星星。到了這些燃料用盡的時候，這些星星就無法再支撐自己的重量，因而就會向中心崩塌下去。可是，其後的卻是困擾了科學家良久的部分：直觀來看，應該是這些崩塌的物料會撞擊到星星的中心部分，繼而反彈開來，從而以爆炸的形式，以雷霆萬鈞之勢將物料爆發出去，造成「晝見如太白」的光亮超新星。不過科學家們的計算卻發現，單純地依賴這種「反彈」，並不足以令正在向星星中心崩塌的物質改變方向，更遑論造成超新星的爆發。換句話說，我們對這類超新星的理解並不足夠。
這個超新星爆炸的問題，其實並不容易處理，因為當中牽涉到大小不同程度的科學原理：超新星中的質量密度高，因而萬有引力的作用強大，代表我們需要應用複雜的廣義相對論；另一邊廂，物質在這些極端高溫、高壓下是如何流動的，也需要小心處理；最微小的粒子物理定律，新的粒子是如何在超新星中產生的，也是不可忽視的一環。正因如此，縱然使用現今新型的電腦，要模擬超新星的爆發還是十分費時：電腦一整天的運算，可能也只是模擬了現實中超新星千分之五秒的演化。
電腦加強演算力 建立模型仿爆炸
上世紀八十年代，科學家的電腦模型確定了一個令超新星爆炸的新「材料」：如前所述，星星能夠發熱發亮，是因為其中心不斷地在進行核聚變等核子反應。大家或許早已聽過，這些核子反應在發熱發光之餘，也會產生「微中子（neutrino）」這種粒子。這種微中子不帶電荷，質量極小，一般來說會直接穿過其他物料，很少有任何相互的影響。不過「很少」不等同於「零」：科學家們發現，由於被釋放出來的微中子數量眾多，星星的內部物質，縱使可能只從極少百分比的微中子身上得到能量，但已經能為超新星提供足夠的能量去將物料爆發開來。
電腦的改進，也幫助了我們解答這個研究課題。長久以來，電腦的運算能力，局限了我們要將星星看作成洋葱一般，是一層一層的：層與層之間會有所不同，不過在同一層之上，任何位置都假設是相同、沒有分別的。
到了上世紀九十年代，當時電腦的進步容許我們放寬這個假設：在同一層之上，不同的位置可以有不同的狀況。在這樣的設定之下，我們可以在電腦模型之中，看到微中子如何為星星中的物質「加熱」，就好比煲煮熱水一般，在星星中形成對流，繼而令星星進入爆炸的狀態。如此看來，我們慢慢看出超新星背後的端倪了。
到了2010年代，電腦的進一步發展容許我們處理真正的三維立體星星模型。科學家們也在模擬不同大小、狀況的超新星，希望能確保我們真的了解背後的科學。
固定觀察天上真正的超新星，也為這個課題提供了許多寶貴的數據。在這些聯合的努力之下，希望很快就能對超新星有更深入的理解。
■杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。