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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。
图 | 中国在国庆 70 周年阅兵中展示的东风 17 导弹；这是世界上最早投入使用的超高音速导弹之一，是“东风快递”家族中速度最快的“小哥”（来源：Wikipedia）
发动机的工作原理，是燃料与氧气充分混合、点火、燃烧、爆轰，在短时间内释放大量的能量，推动飞行器前进。作为专业背景属于机械与航空领域的团队，Ahmed 他们一开始想要了解的，是超音速条件下的燃烧反应机理：在什么样的条件下，超高音速发动机里原本被动燃烧的火焰，可以主动吸收能量，自发维持爆轰，从而让飞机或者航天器达到超高音速的飞行状态。
应该说，如果可以发现超高音速发动机燃烧转爆轰的关键指标，就已经可以算是一个很不错的研究成果了。然而，随着他们对这个现象展开进一步的探究，他们发现了一件更了不得的事情——超高音速发动机里燃烧的原理，可能就是宇宙起源的原理。
研究人员找到了让被动燃烧转变为超高音速爆轰的关键——湍流。当高强度的湍流裹挟着化学反应的火焰，速度超过一定程度的时候，火焰就可以自发地进行加速，产生激波或者爆轰。中佛罗里达大学有着全美唯一的一台研究超高音速化学反应的实验装置——激波管。在这个截面大小只有差不多 4.5 cm× 4.5 cm 的实验平台里，研究人员用高强度的湍流，把被动燃烧的火焰变成了5倍音速的爆轰。
图 | 模拟超高音速火焰的实验装置——激波管（来源：Science）
而发动机燃烧反应的燃烧波，和超新星爆炸热核反应的燃烧波一样，都是由相同的物理原理所决定的。因此，理解了发生在实验室里的超高音速发动机的燃烧原理，就可以用来理解宇宙中白矮星热核反应的爆轰转化。从这个意义上说，Ahmed 团队在实验室里制造出的，就是一个超新星爆炸。
因此，在化学反应火焰的研究基础上，研究人员又对超新星热核反应的火焰进行了计算模拟和理论分析。结果显示，湍流驱动的爆燃转爆轰，在密度为 107~108克每立方厘米的情况下几乎是不可避免的。而可能性最大的密度区间，出现在 3×107克每立方厘米左右，这是太阳密度的差不多 2 千万倍。 这便是发生燃烧转爆轰的关键条件。
图 | 湍流火焰发展成爆轰的过程（来源：Alexei Y. Poludnenko, Jessica Chambers, Kareem Ahmed, Vadim N.Gamezo, Brian D. Taylor, Rendering by the U.S. Department of Defense HighPerformance Computing Modernization Program Data Analysis and AssessmentCenter）
至此，科学家们就通过实验、计算、理论的三重方法，复制出了很可能导致了宇宙诞生的过程。
接“地”气的“天”文研究
更为难能可贵的是， Ahmed 团队的这个研究成果，除了可能揭开了宇宙的诞生之谜，更在相比于“远在天边”的超新星而言要“接地气”得多的地球上，有着非常广阔的直接应用前景。
首先，这个理论本来的研究对象，就是超高音速发动机里的化学反应。因此，它可以直接用于基于爆轰的超高音速推进器设计，进而有望实现在大气层和外太空中的超高音速飞行。
图 | NASA X-43A超高音速飞机（来源：Wikipedia）
其次， 燃烧转爆轰的原理，也可以反过来用来防止爆炸的发生。研究人员称，许多大规模的工业事故中，都很可能伴随有燃烧转爆轰的过程。因此，Ahmed 团队的研究成果，可以用于提高煤矿开采、燃料储存、核电站、涉及到易燃易爆物质的化工厂等许多领域内工业生产的安全性。
此外，这个原理还可以用来发电。就像飞机上使用的航空发动机，和发电厂里使用的燃气轮机，本质上是一回事一样，超高音速发动机的研究，也可以用来设计全新的超高效发电系统。
而更进一步，这个理论描述的恒星从质量到能量的过程，除了可以是初级宇宙射线的主要来源之一，更是一个几乎零排放的高效能源转化过程。在我们现在所依赖的发电技术中，煤炭、石油、天然气等化石燃料燃烧后会排放二氧化碳，而核电站反应后会留下核废料。
但这项研究中的热核反应，在反应过后几乎剩不下多少东西——绝大多数的质量都转化为能量了，这可比常规发电厂里的化学反应，甚至是核电站里的核裂变反应所能释放的能量要高得多得多。因此，他们的研究成果甚至有可能可以为原理类似的可控核聚变发电系统设计提供思路。
图 | 超新星爆炸热核反应的模拟计算，也许这个原理可以被用于发电也不一定（来源：Science）
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发表于 2021-3-3 23:31:28
