我們的身體裏流淌着超新星的痕跡，如今科學家正利用激光探索超新星更多奧秘

超新星殘餘物 W49B。圖自 NASA, CXC, MIT L. Lopez et al(X-ray), Palomar(Infrared), VLA/NRAO/NSF(Radio)

所謂超新星，其實是指在部分恆星的演化末期出現的劇烈爆炸，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，一般只會在天空中出現幾年的時間。

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後，其中一些粒子最終猛烈撞擊地球。不過一直以來，科學家對高能粒子巨大的速度的來源感到困惑。如今，我們可以在實驗室裏利用激光產生了超新星式的衝擊波，看着它發出高能的粒子，帶給我們有關宇宙如何發生的新提示。

其實在我們的身體裏，就流淌着超新星的痕跡。比如我們血液中至關重要的鐵，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

為了複製超新星的物理特性，實驗室中必須創造一個極端的環境。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，這一峯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的已建成的或者正在建設的激光裝置。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，同樣可以用於研究極端條件下高能量密度物理領域前沿問題。

(a) 神光-III主機裝置設計模型; (b) 靶室及終端光學組件俯視; (c) 激光大廳鳥瞰

通過將激光聚焦到材料上，由於激光能量的猛烈輸入使得衝擊波所需條件——温度、密度和壓力突然增加這些條件都得以滿足。在地球上，衝擊波引起超音速戰鬥機的音爆，暴風雨中的雷聲，以及大規模爆炸後可能打碎窗户的破壞性壓力波。這些衝擊波的形成使得空氣分子相互衝擊，將分子堆積在一起形成緻密、高壓和高温的波。

在宇宙環境中，衝擊波不是發生在空氣中，而是發生在等離子體中。等離子體是質子、電子和離子、帶電原子的混合物。在那裏，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生，是電磁力推動和拉扯粒子的結果。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衝擊波的產生的機理，但是其具體如何形成和成長的，以及這樣的衝擊波的在超新星內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生了衝擊波。

F. FIUZA 等，Nature Physics 2020

計算機模擬的圖中藍色部分電磁場結構如何對帶電粒子的運動產生影響，圖片來自 F. FIUZA/SLAC

研究小組還發現，電子被衝擊波加速，能量達到環境等離子體中其它粒子的100多倍。科學家在地面上看到了超新星殘骸中發現的衝擊波。

通過計算機的模擬與實驗分析，科學家們發現少數的帶電粒子加速的秘密。通過反覆來回跨越衝擊波，這些粒子可以累積驚人的能量，最終向外發射。

當然，目前這些發現也只是整個現象的冰山一角，更多超新星如何加速帶電粒子的細節，還有待人們進一步探索。

參考內容

Giant lasers help re-create supernovas’ explosive, mysterious physics, Science News

《中國科學: 物理學 力學 天文學》出版神光裝置實驗和診斷技術進展專題

神光-III主機裝置研製進展，鄭萬國等，光電匯

來自：中國科學院物理研究所 江蘇激光聯盟轉載