研究展示宇宙最早期大质量恒星死亡过程

据英国《每日邮报》报道，乍一看，这样的图像与人类的大脑极其相似。但事实上，这是宇宙中一颗最早期恒星死亡时候的场景。研究人员表示这些早期恒星的死亡是独特的，它们会以超新星的形式发生爆发，并完全焚毁，不会留下黑洞，而是将大量的化学物质撒播到宇宙空间之中。

                               
登录/注册后可看大图

这是一张大质量恒星的内部模拟“切片”，这颗恒星的质量大约是5.55万倍太阳质量。图像展示的是其内部的氦核正在燃烧，将氦转变为氧，驱动各类流体不稳定性，从而形成了图像中所示的那些涡旋结构。这是时光的定格，展示这颗恒星进入爆发阶段一天之后的状态，此时这颗恒星的最外侧边界已经扩展到相当于今天地球围绕太阳轨道的位置

                               
登录/注册后可看大图

随着恒星塌缩过程的进行，其内部开始快速合成重元素，如氧，氖，镁和硅。这一过程会释放大量能量，它最终将逆转塌缩进程，并引发超新星爆发

                               
登录/注册后可看大图

为了模拟一颗原始超大质量恒星的生命周期，陈博士与同事们使用了一款名为“KEPLER”的恒星演化程序代码。这一程序设计中考虑了一些恒星演化的关键过程，如核燃烧以及恒星对流等机制，另外还加入了针对大质量恒星的一些特点

某些原始恒星的质量达到太阳质量的5.5万至5.6万倍，这样的庞然大物，其死亡方式将是不同寻常的。美国加州大学圣克鲁兹分校以及明尼苏达大学的天体物理学家们在美国联邦能源部下属国家能源研究科学计算中心(NERSC)以及明尼苏达大学超级计算研究所的超级计算机上进行了数轮运算之后提出了这一理论。

这项研究工作严重依赖于CASTRO程序包，这是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室计算研究所(CRD)开发的一款天体物理学程序包。有关这项研究的最新进展已经刊载于近期出版的《天体物理学学报》上。

第一代恒星尤其让科学家们感兴趣，因为它们产生了最早的重元素，这里所说的重元素是指所有那些原子量大于氢和氦的元素。当死亡来临，它们便将自己产生的所有重元素洒向周围的太空，从而为后续的世代的恒星，乃至星系的诞生奠定基础。通过对这些最早期恒星死亡模式的进一步了解，科学家们希望更好的搞清楚我们今天所处的这个宇宙是如何成型的。

程克钧(音译：Ke-Jung Chen)是加州大学圣克鲁兹分校的博士后，也是这项研究的第一作者。他表示：“我们发现存在一个狭窄的窗口，在此范围内恒星可以完全被炸毁而不会留下黑洞，在此之前还从未有人提出过这样的机制。但如果没有NERSC提供的资源，我们可能还将需要长得多的时间才能得到这一结果。”他说：“从用户的角度来看，这一设施的运行非常高效，是做科学非常方便的地方。”

为了模拟原始恒星的生命周期，研究组运用了一种一维恒星演化程序代码，名为“KEPLER”。这一程序设计中考虑了一些恒星演化的关键过程，如核燃烧以及恒星对流等机制。另外还加入了针对大质量恒星的一些特点，如元素的光致裂变，电子-正电子产生以及特殊相对论效应。研究组同时还考虑了广义相对论效应，这对于具有1000倍以上太阳质量的超级恒星而言是必须要考虑的重要因素。

这样做的结果是他们发现那些质量介于5.5万~5.6万个太阳质量的超级恒星寿命约为169万年，此后便会开始在广义相对论效应作用下变得不稳定并开始塌缩过程。随着恒星塌缩，其内部开始快速合成重元素，如氧，氖，镁以及硅等等。这一过程会释放大量能量，这股强大的能量压过了让恒星保持整体存在的引力作用，终于造成恒星塌缩中断并发生剧烈爆发——超新星爆发出现了。

为了模拟这类大质量恒星的死亡机制，研究组使用了CASTRO程序包，这是由伯克利实验室的安·安姆基恩(Ann Almgren)和约翰·贝尔(John Bell)开发的一款天体物理学专用程序包。

这些模拟现实，一旦塌缩过程被逆转，瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instabilities)将会在恒星生命的最后阶段让各类重元素相互混杂。

研究组表示这种混杂作用将会产生一种独特的观测信号，利用未来出现的新型近红外探测器将可以探测到，如欧洲空间局(ESA)的欧几里得探测器以及美国宇航局的广域红外巡天望远镜。

取决于这类超新星爆发的强度，部分超新星的爆发可以造成整个星系乃至临近其他星系的元素富集，从碳到硅，富集重元素的种类多样。在某些案例中，超新星爆发甚至可以在其所在星系中触发大量新生恒星的形成，从而让这一星系变得与其他星系完全不同。

陈博士表示：“我的工作主要着眼于以超越流体动力学的物理学机制对极大质量恒星超新星爆发进行研究，因此我与安姆基恩合作，在多年来在许多个项目上逐渐尝试适应CASTRO软件包的使用。在我开展此项模拟之前，我一般都会首先思考一下为了解决某一特定问题所需的物理学。随后我便与安姆基恩一同工作，开发了一套代码，并将其融入CASTRO程序包。这是一套完全不同的体系。”

为了将数据实现可视化，陈博士采用了一种名为“VisIt”的开放代码工具，这是由前伯克利实验室科学家汉克·切尔德(Hank Childs)构建的。程克钧表示：“在大多数时间里，我都是自己运行可视化模拟，但当有时候我需要进行一些修改，我就会发电子邮件给汉克，他对我非常有帮助。”

这项研究的大部分工作是陈博士在美国明尼苏达大学读研究生时期完成的。他于2013年完成了物理学博士阶段学业。

http://www.cnbeta.com/articles/334003.htm

5万多个太阳质量的物质在初期宇宙中，会不会一下子就坍缩成了黑洞，而不会有恒星发光发热、红巨星、超新星、中子星、黑洞的进化历程？