比超新星剧烈百倍的特超新星，只出现在宇宙初期，我们要如何探索
在人类的早期历史，总是有着一些史诗般的传奇故事。那些先祖在现代人的眼中，不仅神秘，而且总是似乎非常强大。在宇宙中，也有着同样的故事上演。在今天看似剧烈的超新星，它们的“先祖”同样更加令人震撼！
超级+超级，前所未有的尝试
超新星是宇宙中最美丽的“烟火”，垂死的恒星通过最后的挣扎，留给宇宙最后的一次绚烂。
在超新星爆发的背后，除了视觉之美，还有科学之美。超新星在爆发的时候，会经历一系列复杂的变化，这些变化都是在非常极端的条件下才会发生的，我们在实验室中很难发现。同时，它们会产生大量比氢和氦重的元素。这些元素改变了整个宇宙的面貌，让宇宙更加多元化，这也是生物出现的基础。
而在所有的超新星爆发中，有一种最为剧烈，也最为神秘。它的威力如此之大，以至于科学家们给它起了个更震撼的名字——特超新星（hypernova，也有翻译为超超新星的）。
为了探究特超新星的秘密，科学家们进行了无数的尝试。如今，来自台湾省的天文学家陈科荣以及来自加州大学圣克鲁斯分校的S. E. Woosley、朴茨茅斯大学的Daniel J. Whalen等人，利用超级计算机，以史无前例的方式，模拟了超级超新星的爆发过程。
特超新星，宇宙的极致绚丽
所谓的特超新星，都是来自于极其巨大的恒星，它们的质量通常是太阳的130-250倍，能量巨大，所以爆发的时候威力也比普通超新星强100倍左右。
特超新星的形成有两种渠道：一是核心坍缩，二是不稳定对。
坍缩：在恒星演化末期，核心处聚变减缓，对抗自身引力的外压随之降低，最终在突破临界值后发生内核的坍缩。在这种情况下出现的超新星爆发，会导致它留下一颗中子星或者黑洞的遗骸。
不稳定对：这是一种非常特殊的超新星，叫做不稳定对超新星（pair-instability supernova），只出现在质量在太阳130-250倍之间的恒星中。在这样的恒星核心处，经常会有电子与反电子对的出现，降低了核心处对抗引力的压力。这种不稳定性导致了恒星发生热核爆炸，最终恒星被完全炸碎，一点遗骸都不会留下。
（图片说明：不稳定对超新星爆发原理示意图，其核心处的高能伽马射线是产生正负电子对的根本原因）
该团队主要研究的，就是不稳定对超新星。
看不见的第一代恒星
可是，想要观测特超新星，比观测普通的超新星要难得多，因为这样的大质量恒星实在太少了。别看网上到处都是巨大恒星和太阳的对比，实际上我们发现的大质量恒星并不多，尤其是超过130倍太阳质量的。
宇宙中的确曾经有一段时期充满了如此巨大的恒星，那就是大爆炸后不足3亿年左右的时期。那个时候，宇宙第一代恒星刚刚形成，它们全都是这样的巨无霸。第一代恒星又叫星族III星，普遍是极其巨大，并且发出耀眼的蓝色光芒的天体。
（图片说明：艺术家绘制的第一代恒星假想图）
它们出现得早，死亡得也快，别说是哈勃太空望远镜，即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜，也未必能够看到那么古老的宇宙。因此，与其苦苦等待着一个不知道什么时候才能问世的更加强大的望远镜，不如另辟蹊径。于是，他们决定利用超级计算机，模拟特超新星爆发的过程。
超级计算机-超级超新星
当然，这不是人类第一次利用计算机模拟这个过程，但是他们是首次将这个过程模拟得如此深入的团队。以往的模拟都是将时间限制在30天内，而这一次他们模拟到了爆发后300天的时间。
他们之所以模拟得这么久，就在于镍-56的存在。镍-56是超新星爆发持久的主要因素，如果不是它的存在，超新星爆发将会只是一闪而过。为了能够更加全面地了解超新星爆发的过程，该团队对三颗独立的恒星进行了模拟。
（图片说明：不稳定对超新星爆发时，爆炸的冲击波即将冲破恒星表面时的模拟画面）
在日本国立天文台（NAOJ）的计算天体物理中心（CfCA），有一台强大的超级计算机——Cray XC50。Cray XC50是美国Cray公司发布的一台超级计算机，发布于2016年，一度号称是当时世界上最强的超级计算机之一。2018年，CfCA采购了一台Cray XC50，通过其强大的计算力进行科研探索。
陈科荣等人最终决定，利用这台超级计算机，来模拟特超新星爆发的过程。
即使它的计算力如此强大，模拟工作也仍然挑战重重。陈科荣介绍：“模拟的规模越大，保持分辨率所导致的计算难度就对计算机要求越高，更不用说其中涉及的物理学理论也非常复杂。”好在他们此前就做过类似的模拟，这一次通过更加完善的代码和程序结构，保证了模拟过程的顺利进行。
（图片说明：超级计算机Cray XC50）
无与伦比的爆炸
一颗质量达到太阳200倍的大质量恒星，可以合成0.1-30个太阳质量的放射性元素镍-56。他们相信，如此大量镍-56的衰变过程，在极大程度上反应了特超新星爆发的各个不同阶段。这些镍-56绝不仅仅是延长特超新星亮光的瞬间那么简单，还“可能在深处提供重要的爆发动力效应，这会导致不同元素的混合、给观测提供重要的信号。”
正是通过这些信号，他们获得了前所未有的模拟结果。
（图片说明：不稳定对超新星内部结构3D图像，蓝色立方体是整个模拟空间，橙色区域是镍-56衰变的区域）
在镍-56刚刚开始衰变的时候，被加热的气体就开始向外膨胀，形成一个具有薄外壳的结构。他们在论文中指出：“气体外壳以内的温度极高……大约30%的能量用来推动气体、另外的~70%能量极有可能就是超新星的光源。以往的模拟过程都忽略了推动气体的效应，导致超新星的亮度都被高估了。”
在爆发后的200天左右，炽热的镍-56气泡也形成了一个外壳，这个外壳位于喷射物形成的硅质结构附近。这个阶段，镍-56衰变的能量开始更多地向推动喷射物向外膨胀的过程转移，导致超新星的亮度不再那么耀眼。
（图片说明：该团队的模拟结果，三种不同的超新星各为一列，每行代表的是超新星爆发后20天、100天和300天后的状态，红线代表着镍-56的气泡外壳）
追寻宇宙最初的模样
正如我们前面所说的那样，第一代恒星至今仍然无法被我们观测到。虽然本文的作者很有信心，但我们前几天也介绍过，另外一位科学家认为即使是明年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜乃至欧南台的极大望远镜，恐怕也仍然不足以直接观测到第一代恒星。因此，对于这些恒星的爆发进行模拟是非常重要的，也是目前我们仅有的能够研究特超新星爆发的手段之一。
这些第一代恒星的爆发，为当初那个只有氢和氦以及微量锂的宇宙提供了大量更重的元素，而这些元素正是创造生物、地球乃至今天这个宇宙的基础。如果不是这些特超新星爆发，宇宙不会是今天的模样。
我们对宇宙的演化如此好奇，却又如此无力。对于现在的我们来说，能够用于研究早期宇宙的手段还非常有限，计算机模拟正是其中之一，这也是超级计算机存在的重要意义之一。宇宙啊，你到底为何是今天这副模样？或许在几十年后，我们才能得到答案吧！