電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸!

  • 採訪編輯|歐柏昇 美術編輯|張語辰

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

天文學家無法做實驗來製造一個宇宙,卻可以在超級電腦中製造小宇宙,探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮,利用電腦模擬,揭開觀測背後的物理過程,了解超新星爆發的機制,以及超新星與宇宙學的關聯。

一般人對於天文學家的想像,是拿著望遠鏡觀測宇宙的仰觀者。陳科榮是大家較不熟悉的另一類型:模擬天文學家。
攝影│張語辰

模擬天文學家的望遠鏡:超級電腦

對於模擬天文學家而言,超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。

為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢?陳科榮說明,物理、化學研究可以在實驗室裡做測試,但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來,必須仰賴電腦來做實驗。

用電腦模擬來研究宇宙,其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用,就可用數學、物理的方程式,推算宇宙星體經歷的過程。然而,宇宙中的許多系統很複雜,沒辦法用人腦、用筆去算。因此,把物理方程式寫成程式,讓超級電腦計算。

何謂「超級電腦」?陳科榮解釋,當一台電腦的記憶體、運算速度,大約是一般筆電的超過一萬倍以上,就可稱做超級電腦。也就是說,在一般筆電要花一萬個小時的計算,在超級電腦只要花一小時。近年來,電腦運算速度越來越快,幫助我們處理更複雜的問題。

「模擬」是根據基本數學、物理建構出來,製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯,這就需要驗證。

陳科榮舉了工業上的例子,說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬,若要測試新型汽車的效能,就會先製造一個實體的模型車,放在「風洞」裡,讓風吹向車子,觀察流線的分布,來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車,只要用電腦模擬,計算流體力學,就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後,才需要做出實體的模型車,再放到風洞裡做實驗,省下了很多開發資源。

用電腦模擬,追探觀測背後的玄機!

用電腦模擬來研究天文,可以幫助我們了解:天文觀測到的現象背後,到底發生了什麼事。

陳科榮說明,我們一般看到宇宙都是看到「光」,光會帶來很多訊息,但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情,有些訊號可能會傳到大樓外,但是大部分的光線都被牆壁擋住,大樓外面的人無法得知我們在做什麼。

例如,超新星爆炸是發生在恆星內部的過程,我們只能看到爆炸後的現象,卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家,便試著去探索背後的機制,了解爆炸怎麼產生。

以上方影片為例,這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說,中間有個很大的中子星,中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光,且在輻射機制的加速過程中,被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻,可成長出「渦流」(eddy),形成大尺度的不穩定結構。

陳科榮發現,磁星的超新星爆炸機制,模擬出來的結構,竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像,推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。

磁星 (magnetar) 的超新星爆炸機制,左圖模擬出來的結構,與右圖的蟹狀星雲(紅框處)非常像。
資料來源│左圖:陳科榮,右圖:NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

陳科榮再舉一個爆炸模擬,如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散,但其實有種不均向的超新星,稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極,產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞,整顆炸開。

化作春泥更護花──超新星與宇宙學

陳科榮在博士班三年級的時候,得到一個獎學金,去德州大學做研究,開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢?陳科榮引用詩句來詮釋:

落紅不是無情物,化作春泥更護花。

星星就像是一朵花,這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時,這朵花就散落了,但是花瓣回歸到泥土,就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣,散出去的物質,變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此,超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。

宇宙很大,恆星很小,恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大,細胞很小,但是細胞發生問題,可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要,但因為跨越了巨大的物理空間,是不易研究的課題。

為求了解恆星對宇宙的影響,陳科榮做了宇宙結構的模擬,如下方影片所示。首先,恆星會發光,將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞,氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星,則會發生許多有趣的變化。

在超新星的爆炸過程,會見到「紊流」這個現象。無序的紊流,是普遍發生於自然界的擴散過程。例如,滴下一滴墨水,很快地,杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜,出現了「瑞利 – 泰勒不穩定性」等現象,使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片,我們可以仔細品味其中的過程,以及無序之美。

  • (紊流影片來源│謝宜達提供)

難以入眠的模擬天文學家

宇宙星體很美麗,卻看似離實際利用較遙遠,那研究目的是什麼呢?陳科榮認為,研究基礎科學最重要的動機,是對人類知識做出貢獻,滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢,總是往後才應用出來的事。

陳科榮舉例,電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念,國王問他,這個東西對國王有什麼用?法拉第回答,他也不知道這能幹嘛,但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來,全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙,現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。

但若未來人類要去外太空旅行,也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。

談到研究的甘苦,陳科榮說,其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現,經常是失敗過很多次了。不過,痛苦與樂趣是相對的,如果沒有痛苦,就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊,經常睡覺就沒有睡好,但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式,像是在美國時,有時自己一個人開車到山上躲個幾天,調劑身心。

模擬天文學家的另一項樂趣,是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片,經常讓人感到新奇,容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材,創作出富有哲思的藝術品。

這是陳科榮相當自豪的一個超新星爆炸模型。過去他在加州大學聖塔克魯斯分校時,學校正好舉辦 50 週年校慶,選了他的這幅作品做成大型看板,擺在舊金山市區,配上標語 “Who says you can’t crack open a star?"(點圖放大)資料來源│陳科榮

這幅作品是把兩個不同的模擬結合在一起,外層是超新星爆炸的結構,裡面是宇宙的結構。納須彌於芥子,把一個很大的結構容納到一個非常小的尺度。陳科榮認為宇宙就是這樣:「一沙一世界,一花一天堂。」(點圖放大)
資料來源│陳科榮

另一方面,陳科榮認為,能夠當科學家是得到一種「優待」,可以做自己喜歡的事,又有薪水過活;在研究上,自己就是自己的「老闆」,是個自由的工作。

相對地,科學家也有許多義務,不僅要做好研究,對人類知識做出貢獻,也有一些社會責任:將知識傳承下去,教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行,在中研院成立了「爆炸小組」,帶領學生一起做研究,希望幫助學生,並且讓研究環境變得更好。

陳科榮與「爆炸小組」的快樂小夥伴。
照片來源│陳科榮臉書

延伸閱讀

本著作由研之有物製作,原文為《電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸!專訪陳科榮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位


泛科學院精選線上課程:科學思辨力

無論是自然環境或是社會體制,地球正在發生的改變難以預測是好是壞,但是我們可以確定,每個人都需要 科學思辨力 以迎接來得又快又猛的新時代🧠


泛科學院精選實體課程:兒童冬令營

報名泛科冬令營,幫孩子預約一個充滿科學和歡樂的寒假,從此愛上知識與學習!📚

The post 電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸! appeared first on PanSci 泛科學.