奧秘我們的身體里流淌著超新星的痕跡，如今科學(xué)家正利用激光探索超新星更多奧秘 nasa

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超新星殘余物 W49B。圖自 NASA, CXC, MIT L. Lopez et al(X-ray), Palomar(Infrared), VLA/NRAO/NSF(Radio)
所謂超新星，其實是指在部分恒星的演化末期出現(xiàn)的劇烈爆炸，而這些爆炸釋放出的巨大能量也讓整顆星球變得分外耀眼。古人稱其為「客星」，來去如風(fēng)，一般只會在天空中出現(xiàn)幾年的時間。
如今，超新星爆炸被認為是宇宙中最強大的粒子加速器，也成為了人類觀測遙遠天體的一個重要手段。高能粒子在跨越宇宙尺度距離的馬拉松之后，其中一些粒子最終猛烈撞擊地球。不過一直以來，科學(xué)家對高能粒子巨大的速度的來源感到困惑。如今，我們可以在實驗室里利用激光產(chǎn)生了超新星式的沖擊波，看著它發(fā)出高能的粒子，帶給我們有關(guān)宇宙如何發(fā)生的新提示。
其實在我們的身體里，就流淌著超新星的痕跡。比如我們血液中至關(guān)重要的鐵，很大一部分都來自超新星。如字面一樣，我們來自星辰。
激光聚焦
為了復(fù)制超新星的物理特性，實驗室中必須創(chuàng)造一個極端的環(huán)境。為此，你需要一個非常大的激光。比如以美國的國家點火設(shè)施（National Ignition Facility Project，簡稱NIF）裝置為例，其激光可以瞬間提供超過500萬億瓦的功率，這一峰值功率將近美國總用電功率的100倍。
我們國家在這方面也有相應(yīng)的已建成的或者正在建設(shè)的激光裝置。比如已建成的神光-III主機裝置，是目前世界上輸出能力第二的大型激光裝置，同樣可以用于研究極端條件下高能量密度物理領(lǐng)域前沿問題。

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(a) 神光-III主機裝置設(shè)計模型; (b) 靶室及終端光學(xué)組件俯視; (c) 激光大廳鳥瞰
通過將激光聚焦到材料上，由于激光能量的猛烈輸入使得沖擊波所需條件——溫度、密度和壓力突然增加這些條件都得以滿足。在地球上，沖擊波引起超音速戰(zhàn)斗機的音爆，暴風(fēng)雨中的雷聲，以及大規(guī)模爆炸后可能打碎窗戶的破壞性壓力波。這些沖擊波的形成使得空氣分子相互沖擊，將分子堆積在一起形成致密、高壓和高溫的波。
在宇宙環(huán)境中，沖擊波不是發(fā)生在空氣中，而是發(fā)生在等離子體中。等離子體是質(zhì)子、電子和離子、帶電原子的混合物。在那里，粒子足夠分散，不會像在空氣中那樣直接碰撞，而是通過粒子的堆積間接發(fā)生，是電磁力推動和拉扯粒子的結(jié)果。如果粒子改變軌跡，那是因為它感覺到磁場或電場。
雖然我們大概知曉超新星上沖擊波的產(chǎn)生的機理，但是其具體如何形成和成長的，以及這樣的沖擊波的在超新星內(nèi)部的演化過程卻一直難以破譯。原因無它，研究人員無法看到真正的超新星的過程——細節(jié)太遠太小，不能用望遠鏡觀察。
加速粒子
美國國家點火裝置的研究人員使用共計84束激光轟擊兩個圓盤狀的目標，每束激光束擁有將近50萬焦耳的能量，與一輛汽車在高速公路上以每小時100km的速度行駛的動能大致相同，由此在等離子體流的中心產(chǎn)生了沖擊波。

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F. FIUZA 等，Nature Physics 2020

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計算機模擬的圖中藍色部分電磁場結(jié)構(gòu)如何對帶電粒子的運動產(chǎn)生影響，圖片來自 F. FIUZA/SLAC
研究小組還發(fā)現(xiàn)，電子被沖擊波加速，能量達到環(huán)境等離子體中其它粒子的100多倍。科學(xué)家在地面上看到了超新星殘骸中發(fā)現(xiàn)的沖擊波。
通過計算機的模擬與實驗分析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)少數(shù)的帶電粒子加速的秘密。通過反復(fù)來回跨越?jīng)_擊波，這些粒子可以累積驚人的能量，最終向外發(fā)射。
當然，目前這些發(fā)現(xiàn)也只是整個現(xiàn)象的冰山一角，更多超新星如何加速帶電粒子的細節(jié)，還有待人們進一步探索。
參考內(nèi)容
Giant lasers help re-create supernovas’ explosive, mysterious physics, Science News
《中國科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》出版神光裝置實驗和診斷技術(shù)進展專題
神光-III主機裝置研制進展，鄭萬國等，光電匯
【 奧秘|我們的身體里流淌著超新星的痕跡，如今科學(xué)家正利用激光探索超新星更多奧秘】來自：中國科學(xué)院物理研究所江蘇激光聯(lián)盟轉(zhuǎn)載

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