人类首次在实验室“制造”出“宇宙大爆炸”!

宇宙的起源是什么？你可能会回答，是大爆炸。

那么，大爆炸的起源又是什么呢？或者说，这个爆炸，是怎么“点燃”的呢？这是一个困扰了科学家们几十年的问题。天文学家可以模拟出宇宙从大爆炸开始之后所经历过的 138 亿年的漫长历程，但却对大爆炸本身是怎么启动的——这个宇宙的时间零点，知之甚少。

10 月 31 日，Science 杂志刊登了一篇论文，其研究成果第一次对这个问题给出了一个可能的答案。美国中佛罗里达大学机械与宇航工程系助理教授 Kareem Ahmed 的团队，在研究超高音速发动机时，“无意”中发现了 Ia 超新星（Type Ia supernova）爆炸的关键机理。

他们首次在实验室里制造出了“小型的宇宙大爆炸”，并结合理论分析与计算模拟，给出了 Ia 超新星点火、出现爆轰的条件。中佛罗里达大学的报道称，这正是科学家们用来理解宇宙起源的模型中，无比重要、却又一直求而不得的关键所在。

图 | 研究人员在实验室里完成了“宇宙小爆炸”，揭开了宇宙起源的奥秘；右一为中佛罗里达大学机械与宇航工程系助理教授 Kareem Ahmed（来源：UCF）

大爆炸的点火之谜

“宇宙大爆炸”，这个从爱因斯坦的相对论里推出来的理论，是关于宇宙起源最可信、也是得到了最多研究和观测支持的最精确的理论。大爆炸理论认为，距今约 138 亿年前，一个密度极大、温度极高的“太初状态”发生了一场不知从何而起的大爆炸，诞生了我们现在已知的宇宙里的一切。对大爆炸模型做出了许多重要贡献的“宇宙学之父”吉姆·皮布尔斯（Jim Peebles），更是在今年获得了诺贝尔物理学奖。

图 | 宇宙大爆炸（来源：MIT News）

然而，到底是什么点燃了这个意义非比寻常的爆炸，却一直不为科学家们所知。

我们虽然没法直接观测到宇宙大爆炸，但我们却可以观测到超新星爆炸。一些恒星在自己生命的最后时刻，会经历这种剧烈的爆炸，释放大量的能量。在地球所在的银河系，差不多每 50 年就会发生一次超新星大爆炸。如果可以搞清楚超新星的爆炸是怎么开始的，我们就可能理解宇宙大爆炸是如何启动的。

举个例子，超新星分类中的一种—— Ia 超新星，由于有着稳定的最大光度，被科学家们用来当作测量宇宙中星系距离的“标准烛光”。科学家们的一个共识是，它的爆炸本质上是白矮星的热核反应。所谓的白矮星，是一种密度很高的恒星。大小如地球的白矮星，其质量可能重如太阳。

根据天文学家当前的 Ia 超新星爆炸模型，白矮星在生命的最后阶段会开始燃烧。之后，燃烧的过程会突然加速，出现所谓的“爆轰”，把白矮星中绝大部分的质量转变为巨大的能量，在超新星爆炸中解除恒星的束缚。

图 | 超新星（来源：Wikipedia）

而在这个过程中十分关键的“爆轰”，是一种伴有大量能量释放的反应传输过程。其实，人们所使用的炸药，其本质就是一个液、固相的爆轰系统。原本只是星星之火，一旦点燃的是炸药，呈现出来的就不只是燎原之势，而是剧烈的爆炸了。这个转换的过程，叫做“燃烧转爆轰（deflagration-to-detonation transition，DDT）”，是炸药爆炸的关键机理。

然而，对于白矮星的热核反应来说，火焰为什么会突然加速并形成爆轰，一直是一个不解之谜。因此，描述 Ia 超新星爆炸的各种模型里，只能简单地假设超新星爆炸必然存在一个爆轰的“点火”，至于为什么会有这样的一个点火，何时何地会出现这样的点火，就完全不知道了。如此一来，这些预测超新星爆炸的模型效力自然大打折扣，想通过这些模型来理解宇宙起源，也是无从谈起。

从超高音速发动机到超新星爆炸

而解开这个谜团的 Ahmed 团队，却纯属“歪打正着”。

Ahmed 团队一开始研究的对象，并不是超新星爆炸，而是在美国空军的资助下，研究一个看上去和超新星爆炸风马牛不相及的东西：超高音速发动机。

超高音速是比超音速还要高出许多的飞行速度。通常，飞行速度达到或者超过 5 倍音速，才可以被称之为超高音速。而现在最常用的涡轮喷气发动机，在飞行速度大于 3.5 倍音速之后，性能就会迅速下降。因此，超高音速发动机的研制，不仅具有巨大的科学价值，更具有明显的军事价值，一直是各大国在航空航天领域竞争的焦点之一。

文章来源：《分析试验室》 网址: http://www.fxsys.cn/zonghexinwen/2021/1003/1157.html