实验室中的超新星：模仿宇宙爆炸的灿烂后果

蟹状星云是超新星遗迹。在（西方）1054年，中国天文学家记录了将星云炸裂的超新星。

座落在金牛座中，一团漩涡状的宇宙气体奇观，横跨翡翠和赤褐色的辉光，跨越六光年。蟹状星云是由超新星诞生的，是一颗巨大恒星的爆炸，现在，一台具有双扇门大小的实验室机器复制了巨大的爆炸声，描绘出了天文漩涡的存在。

“它高6英尺，看起来像一块比萨饼，顶部的宽度约4英尺，”他为佐治亚理工学院研究而建造的超新星机器的本·穆西（Ben Musci）说。

机器的厚度也和门一样薄，并且垂直放置，底部是“披萨片”。尖端的简明起爆将一股爆炸波推向顶部，并且在机器的中间，该波穿过两层气体，使它们湍流混合成漩涡，就像超新星留下的漩涡一样。

激光照亮漩涡，通过一扇窗户，带有特写镜头的高速摄像头可以捕捉美丽，同时还可以使用公认的物理数学将厘米级的数据外推至天文比例。使机器产生对研究自然有用的结果需要两年半的工程调整。

爆炸波的黑白慢动作图像，产生了微小的超新星残余。

匹配漩涡

“我们突然从一个完全静止的小室变成了一个小超新星。这项工程的主要研究人员，乔治亚理工大学乔治·伍德拉夫学院的教授德瓦什·兰詹说：机械工程系。

“最困难的部分是对不属于超新星物理学的工件进行故障诊断。该研究的第一作者，Ranjan实验室的研究生研究助理Musci说。“我还必须确保重力，背景辐射和温度不会影响物理学。”

研究人员于2020年6月17日在《天体物理学杂志》上发表了他们的研究结果。这项研究是由美国能源部的Fusion Energy Science计划资助的。Musci计划与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）合作，将机器的气体模式与超新星残留物的实际数据进行比较。

超新星的特别爆炸

并非所有的星云都是超新星的残留物，但很多都是。他们和其他超新星残骸始于一颗巨大的恒星。恒星是气体球，分层排列，当恒星在超新星中爆炸时，这些层可以形成美丽的漩涡。

产生微型超新星遗迹的实验室机器高约六英尺。在底部，一小段炸药爆炸将爆炸波向上传播。它穿过中央的窗户，在窗户中将气体层阻塞在一起以产生湍流。高速摄影机可捕获地层的形成。

Ranjan说：“在外部，气体密度低，而在内部气体密度高，并且在恒星很深处，密度开始迫使气体聚集在一起，从而在恒星的核中形成铁。”

“在此之后，恒星的核燃料用完了，因此核聚变所引起的外向力不再平衡内向引力。极端的引力使恒星坍塌，”穆西说。

在恒星中心，有一个点爆炸，这就是超新星。它发出的爆炸波的传播速度大约是从气体中掠过的光速的十分之一，从而将气体的各层卡在一起。

内层中较重的气体使湍急的露头刺入外层中较轻的气体。然后在爆炸波之后，压力下降，使气体回弹，从而进行另一种湍流混合。

Musci说：“这是一次艰苦的努力，然后是长时间的拉扯或伸展。”

爆炸物模仿超新星

研究人员使用少量的市售雷管（包含RDX或Research Department eXplosive，以及PETN或季戊四醇四硝酸盐）制成简洁的微型爆炸，通过机器中较重和较轻的气体之间的界面发出干净的波浪。

在自然界中，爆炸波在各个方向上都以球形形式传播，而Musci在机器的爆炸波中实现了其曲率的部分表示。在自然界和机器中，气体之间的界面充满了微小的，不均匀的曲折和弯曲，称为扰动，而爆炸波以偏斜的角度撞击它们。

Musci说：“这对于增加导致湍流的初始扰动非常重要，因为这种不均匀会在气体层之间的界面上施加扭矩。”

随之而来的是卷积和卷曲，形成了超新星遗迹，这些遗迹膨胀了数千年，变得更柔软，更光滑，使我们的内心充满了灿烂的光芒。对于物理学家来说，这些最初的扭曲是高度可识别的结构，值得研究：重气的湍流尖峰突出进入轻气，重气区域中分离出的轻气“冒泡”，以及早期湍流的典型卷曲。

“我们看到的最有趣的事情之一是关于超新星的谜团-它们发射出称为“喷射出路”的高密度气体，这可能有助于创造新的恒星。Musci说：“我们在设备中看到了这种气体推进，其中重气被传播到轻气中。”

超新星残余物会以每秒数百英里的速度不断膨胀，新机器可以帮助完善这些速度的计算，并有助于表征残余物变化的形式。蟹状星云的超新星是由中国天文学家在1054年记录的，但对于许多其他残留物，这台机器也可以帮助计算它们的出生时刻。

惯性约束聚变

该机器的见解将反过来应用于帮助发展核聚变能源。称为惯性约束聚变的过程将极端的力和热量从外部向内均匀地施加到一个微小的区域，在该区域上，两个氢同位素彼此层叠，一个比另一个更致密。

这些层被迫在一起直到原子核融合，释放出能量。融合研究人员正在努力消除湍流混合。超新星的美丽使核聚变的效率降低。

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这些研究人员还开展了这项研究：来自佐治亚理工学院的Samuel Petter，Gokul Pathikonda和Bradley Ochs；能源部的Fusion Energy Sciences计划资助了这项研究（授予DE-SC0016181）。任何发现，结论或建议均是作者的发现，而不一定是能源部的发现，结论或建议。