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我们的身体里流淌着超新星的痕迹，如今科学家正利用激光探索超新星更多奥秘



我们的身体里流淌着超新星的痕迹，如今科学家正利用激光探索超新星更多奥秘
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超新星残余物 W49B。图自 NASA, CXC, MIT L. Lopez et al(X-ray), Palomar(Infrared), VLA/NRAO/NSF(Radio)
所谓超新星，其实是指在部分恒星的演化末期出现的剧烈爆炸，而这些爆炸释放出的巨大能量也让整颗星球变得分外耀眼。古人称其为「客星」，来去如风，一般只会在天空中出现几年的时间。
如今，超新星爆炸被认为是宇宙中最强大的粒子加速器，也成为了人类观测遥远天体的一个重要手段。高能粒子在跨越宇宙尺度距离的马拉松之后，其中一些粒子最终猛烈撞击地球。不过一直以来，科学家对高能粒子巨大的速度的来源感到困惑。如今，我们可以在实验室里利用激光产生了超新星式的冲击波，看着它发出高能的粒子，带给我们有关宇宙如何发生的新提示。
其实在我们的身体里，就流淌着超新星的痕迹。比如我们血液中至关重要的铁，很大一部分都来自超新星。如字面一样，我们来自星辰。
激光聚焦
为了复制超新星的物理特性，实验室中必须创造一个极端的环境。为此，你需要一个非常大的激光。比如以美国的国家点火设施（National Ignition Facility Project，简称NIF）装置为例，其激光可以瞬间提供超过500万亿瓦的功率，这一峰值功率将近美国总用电功率的100倍。
我们国家在这方面也有相应的已建成的或者正在建设的激光装置。比如已建成的神光-III主机装置，是目前世界上输出能力第二的大型激光装置，同样可以用于研究极端条件下高能量密度物理领域前沿问题。


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(a) 神光-III主机装置设计模型; (b) 靶室及终端光学组件俯视; (c) 激光大厅鸟瞰
通过将激光聚焦到材料上，由于激光能量的猛烈输入使得冲击波所需条件——温度、密度和压力突然增加这些条件都得以满足。在地球上，冲击波引起超音速战斗机的音爆，暴风雨中的雷声，以及大规模爆炸后可能打碎窗户的破坏性压力波。这些冲击波的形成使得空气分子相互冲击，将分子堆积在一起形成致密、高压和高温的波。
在宇宙环境中，冲击波不是发生在空气中，而是发生在等离子体中。等离子体是质子、电子和离子、带电原子的混合物。在那里，粒子足够分散，不会像在空气中那样直接碰撞，而是通过粒子的堆积间接发生，是电磁力推动和拉扯粒子的结果。如果粒子改变轨迹，那是因为它感觉到磁场或电场。
虽然我们大概知晓超新星上冲击波的产生的机理，但是其具体如何形成和成长的，以及这样的冲击波的在超新星内部的演化过程却一直难以破译。原因无它，研究人员无法看到真正的超新星的过程——细节太远太小，不能用望远镜观察。
加速粒子
美国国家点火装置的研究人员使用共计84束激光轰击两个圆盘状的目标，每束激光束拥有将近50万焦耳的能量，与一辆汽车在高速公路上以每小时100km的速度行驶的动能大致相同，由此在等离子体流的中心产生了冲击波。


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F. FIUZA 等，Nature Physics 2020


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计算机模拟的图中蓝色部分电磁场结构如何对带电粒子的运动产生影响，图片来自 F. FIUZA/SLAC
【我们的身体里流淌着超新星的痕迹，如今科学家正利用激光探索超新星更多奥秘】研究小组还发现，电子被冲击波加速，能量达到环境等离子体中其它粒子的100多倍。科学家在地面上看到了超新星残骸中发现的冲击波。
通过计算机的模拟与实验分析，科学家们发现少数的带电粒子加速的秘密。通过反复来回跨越冲击波，这些粒子可以累积惊人的能量，最终向外发射。
当然，目前这些发现也只是整个现象的冰山一角，更多超新星如何加速带电粒子的细节，还有待人们进一步探索。
参考内容
Giant lasers help re-create supernovas’ explosive, mysterious physics, Science News
《中国科学: 物理学 力学 天文学》出版神光装置实验和诊断技术进展专题
神光-III主机装置研制进展，郑万国等，光电汇
来自：中国科学院物理研究所 江苏激光联盟转载

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