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最近的電腦模擬顯示，在爆炸後10秒鐘，熱核反應的烈焰就差不多將白矮星焚燒殆盡了。
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公元1572年11月11日，丹麥貴族天文學家第谷（Tycho Brahe）發現仙后座裡多了一顆新生的星星，跟木星一樣亮。從許多方面看來，這個新的天體代表了現代天文學的誕生──這是個耀眼的反證，推翻了星空永遠固定不變的信念。這種「新星」一直不斷為我們帶來驚奇。400多年後的天文學家，理解到像這樣一顆新星的光芒，會短暫超越億萬顆尋常恆星的發光總和，所以必定發生了驚天動地的大爆炸。1934年，美國加州理工學院的茲威基（Fritz Zwicky）替它們取名為「超新星」。它們是科學界已知最富戲劇性的事件之一，此外，超新星在宇宙裡以及天文學家的研究中，扮演了特殊的角色：它在太空中灑下重元素的種子、影響星系的形成與演化，甚至可做為宇宙膨脹的標誌。
茲威基和同事巴德（Walter Baade）懷疑超新星爆發的能量來自重力。他們認為，正常的恆星必須在其核心密度增加到與原子核密度相當時，才會爆炸。就像易碎的花瓶落在堅實的地板上一樣，崩塌的物質釋放出大量的重力位能，把整個星體炸得粉碎。另一種想法出現在1960年，當時英國劍橋大學的霍伊爾（Fred Hoyle）與美國加州理工學院的佛勒（Willy Fowler）認為這類爆炸像是巨大的核彈。當類似太陽的恆星接連用光了它的氫燃料及氦燃料後，便轉而燃燒自身的碳與氧。這些元素的融合反應不僅釋放出極大的能量，還會產生放射性鎳56，而其逐漸衰變的過程恰可解釋在初始爆炸發生後，為何超新星還能夠閃耀餘暉達數月之久。
這兩個想法都已經獲得了證實。在所有光譜不含氫的超新星（分類為第I型）中，大部份（Ia型）是熱核爆炸引起的，其餘的（Ib和Ic型）則是恆星塌縮而將外層的氫丟出的結果。光譜中含有氫的超新星（分類為第II型）也被認為起因於重力塌縮。這兩類機制都把整個恆星縮減成氣殼狀的碎片，而且重力塌縮事件會遺留下密度超高的中子星，在一些比較極端的狀況下，甚至會留下黑洞。觀測的結果，特別是對超新星1987A（屬於第II型）所做的觀測，已經支持這個基本理論圖像。
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第谷超新星是著名的丹麥天文學家第谷在1572年所觀測到的一次熱核爆發。
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即便如此，解釋超新星爆發對天文物理學家而言，仍是個深具挑戰的工作。電腦模擬要再現這些爆炸時就遭遇了麻煩，更別說想了解它們的詳細性質。恆星要爆炸是件極度困難的事，因為它們會自我調整，讓自己盡量保持在非常穩定的狀態，長達億萬年之久。即使是已死或瀕死的恆星，也具有調節機制，使它們逐漸枯竭而亡，而非一下子就炸得粉身碎骨。天文學家要了解恆星是如何克服這些機制而成為超新星，必須利用多維度的模擬，而這種模擬已逼近甚至超過了現今電腦的能力極限。直到最近，這
個困境才有所改善。
引爆恆星可不容易
諷刺的是，那些被認為是Ia型的超新星爆發，往往是穩定性的楷模──白矮星。白矮星是類似太陽的恆星在死亡後所留下恆久不變的殘骸。如果不去特意干擾，它將會或多或少保持其誕生時的狀態，逐漸冷卻，然後黯淡下來。但是霍伊爾與佛勒卻認為，假如白矮星旁邊有另一顆恆星非常靠近地環繞著它，它可能會從這顆伴星上吸積物質，增加自身的質量，使中心變得更緊緻，直到密度與溫度高得足以爆炸性地融合碳與氧。
熱核反應應該和一般的火焰一樣，燃燒的火舌會橫掃整個星球，留下一堆核子灰燼（主要是鎳）。在任何時刻，融合反應都可於微小的空間內進行，而且最可能發生於漂浮在白矮星內部深處佈滿灰燼的泡泡表面。因為它們的密度較低，這些泡泡會試著浮升至星球的表面──正如同氣泡處在一鍋沸騰熱水中的行為。
這個圖像也有點不合理，因為熱核之火應該不致於燎原。能量釋放出來後，星球理當膨脹冷卻，而使火苗熄滅。普通的炸彈有密封的外殼保溫，所以不會自己熄滅，但是白矮星沒有這種東西。
除了上述這個理論上的絆腳石外，現實上也有麻煩：沒有一個實驗室有能力從事再現超新星爆發條件的實驗，而且觀測也受限於自身的極限。天文物理學家所能做的最佳方法是在電腦上模擬爆炸，這可是個重大工程。目前最精準的模擬是由我們團隊所主導，使用一部IBM p690的超級電腦，將星球每邊分成多達1024個格子來計算，精密度可達幾公里。執行一回模擬需要好幾次數量級高達1020的運算，而對於如此複雜的問題，超級電腦的能力是一秒做完幾個1011的運算，總計下來，如果同時使用60部超級電腦，也得花上大約一年。在其他科學領域中用來簡化模擬的運算技巧，並不適用於超新星，因為它牽涉到高度不對稱流動、極端的條件，以及廣大的時間與空間尺度範圍。個別而論，粒子物理、核物理、流體力學與廣義相對論本身就已夠繁複了，而超新星的模擬必須同時考慮所有這些複雜的物理機制。
答案就在汽車引擎裡
解決之道來自於一個意想不到的角落：汽車引擎的物理學。在引擎內混合汽油與氧氣然後點火，會產生紊流。然後，紊流不規則地拉扯火焰，增加其表面積。燃料消耗率正比於火焰表面積，所以燃料消耗得更快了。恆星也可視為自然的紊流系統。由於氣體高速運行很長的距離，一個輕微的擾動就能馬上將平順的流體轉變成紊流。在超新星裡，上升的熱泡泡會攪動物質，在恆星還來不及反應時，便把核子燃燒迅速地散播出去。
在運轉良好的內燃機裡，受限於熱在物質中的擴散速率，火焰只能以次音速傳播，此過程稱為爆燃。而在一具運轉不正常而發出爆震聲的引擎裡，震波會通過燃料與氧化劑的混合物並壓縮它，驅動火焰以超音速傳播，此過程稱為爆震。星球內的熱核火焰可同樣以這兩種方式傳播。爆震作用較為劇烈，會比較徹底地焚燒星體，僅遺留下最高度融合的元素，例如鎳與鐵。但是天文學家卻在這些爆炸裡，偵測到許多不同的元素，包括矽、硫與鈣等。這些東西暗示著，至少在最初階段的核子燃燒是以爆燃的方式傳播。
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蟹狀星雲是1054年所觀測到的一個核崩塌型超新星的氣態殘骸。其中心有顆中子星不斷噴出粒子，導致氣體發光（藍色）。
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過去幾年，我們的團隊，以及加州大學聖克魯茲分校與芝加哥大學的團隊，終於做出有說服力的熱核爆燃模擬。我們犀利的電腦程式，利用了為化學燃燒甚至氣象研究，而發展出來的方法。由於紊流本身是個三維的過程，在紊流瀑布裡，動能尺度不斷縮小，最終因耗散而變成熱。換句話說，氣流變得越來越精微細緻。因此電腦模擬也必須能演算三個維度，該項技術直到最近才成熟。
全維度模擬超新星，揭露了其複雜的蕈狀結構：在層狀流體中浮升的熱泡泡，被紊流不斷地擠皺與拉扯。紊流促使融合反應加速，造成白矮星在短短幾秒內便瓦解湮滅。其灰燼殘骸以每秒一萬公里的高速膨脹擴散，大致符合觀測的結果。
雖說如此，仍有許多問題縈繞無解。我們完全不知道最初白矮星是怎麼點燃的，還有，爆燃應會使得大部份的白矮星以原來的組織樣貌被彈射出來，但觀測卻告訴我們，最多只有一小部份的原始星體結構能留存下來。因此，整個爆發事件絕非單純的爆燃，一定有牽涉到一些爆震作用。理論學家尚不能解釋兩種機制如何同時進行，也無法解釋爆炸型態的變化。白矮星的吸積作用很可能不是引爆Ia型超新星的唯一方法，或許兩顆白矮星的合併也會造成超新星爆發。……
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年11月號】
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