超新星遗迹 W49B。图片来自NASA, CXC, MIT L. Lopez et al(X-ray), Palomar(Infrared), VLA/NRAO/NSF(Radio)

所谓的超新星实际上是指一些恒星的演化发生了剧烈的爆炸，而这些爆炸所释放出的巨大能量，也让整个星球都变得无比耀眼。古人称其为“客星”，来去如风，一般只出现在天上几年。

如今，超新星爆炸被认为是宇宙中最强大的粒子加速器，也成为人类观察遥远天体的重要手段。在跨越宇宙尺度距离的高能粒子马拉松之后，其中一些最终猛烈撞击地球。然而，科学家们一直对高能粒子的巨大速度的来源感到困惑。如今，我们可以在实验室中使用激光产生类似超新星的冲击波，并观察它发出的高能粒子，为我们提供有关宇宙如何发生的新线索。

事实上，我们的身体里有超新星流动的痕迹。例如，我们血液中的大部分重要铁来自超新星。顾名思义，我们来自星星。

激光聚焦

为了复制超新星的物理特性，必须在实验室中创造一个极端环境。为此，您需要一个非常大的激光器。例如，以美国的国家点火设施项目（NIF）装置为例。它的激光器可以瞬间提供超过 500 万亿瓦的功率。这个峰值功率是美国总耗电量的近100倍。

我国在这方面也有相应的已建成或在建的激光装置。例如，内置的神光三号主机设备是目前世界上输出能力第二大的激光设备。还可用于研究极端条件下高能量密度物理领域的前沿问题。

(a) 神光三号主机装置设计模型； (b) 靶室和终端光学部件的鸟瞰图； (c) 激光大厅鸟瞰图

通过将激光聚焦在材料上，由于激光能量的猛烈输入，使得冲击波所需的条件——温度、密度和压力的突然升高——都很满意。在地球上，冲击波会引起超音速战斗机的音爆、风暴中的雷声以及在大规模爆炸后可以粉碎窗户的破坏性压力波。这些冲击波的形成使空气分子相互碰撞，将分子堆叠在一起，形成密集、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、电子和离子以及带电原子的混合物。在那里，粒子充分分散，不会像在空气中那样直接碰撞，而是通过粒子的积累间接发生，这是电磁力推拉粒子的结果。如果一个粒子改变了它的轨迹，那是因为它感觉到了磁场或电场。

虽然我们大概知道超新星上冲击波的机制，但它们是如何形成和生长的，超新星中这种冲击波的演化过程一直难以破译。没有其他原因，研究人员无法看到真正的超新星的过程——细节太远太小，无法用望远镜观察。

加速粒子

来自美国国家点火装置的研究人员总共使用了 84 束激光束轰击了两个圆盘形目标。每束激光束具有近 500,000 焦耳的能量。在高速公路上以每小时 100 公里的速度行驶的汽车的动能大致相同，这会在等离子体流的中心产生冲击波。

F. FIUZA 等，自然物理学 2020

计算机模拟蓝色部分的电磁场结构如何影响带电粒子的运动，图片来自F. FIUZA/SLAC

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他粒子的100多倍。科学家们看到了在地面超新星遗迹中发现的冲击波。

通过计算机模拟和实验分析，科学家们发现了少数带电粒子加速的秘密。通过反复来回穿越冲击波，这些粒子可以积累惊人的能量并最终向外发射。

当然，这些发现只是整个现象的冰山一角。关于超新星如何加速带电粒子的更多细节还有待进一步探索。

参考内容

巨型激光帮助再现超新星爆炸性的神秘物理，科学新闻

神光出版的中国科学：物理、力学和天文学装置实验与诊断技术进展专题

神光三号主机装置研制，郑万国等，光电

转载自：江苏激光联合物理研究所, 中国科学院