〈研之有物〉電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮
研之有物 2019-06-01 11:30
太空旅行前須知
天文學家無法做實驗來製造一個宇宙，卻可以在超級電腦中製造小宇宙，探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮，利用電腦模擬，揭開觀測背後的物理過程，了解超新星爆發的機制，以及超新星與宇宙學的關聯。
模擬天文學家的望遠鏡：超級電腦
對於模擬天文學家而言，超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。
為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢？陳科榮說明，物理、化學研究可以在實驗室裡做測試，但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來，必須仰賴電腦來做實驗。
用電腦模擬來研究宇宙，其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用，就可用數學、物理的方程式，推算宇宙星體經歷的過程。然而，宇宙中的許多系統很複雜，沒辦法用人腦、用筆去算。因此，把物理方程式寫成程式，讓超級電腦計算。
何謂「超級電腦」？陳科榮解釋，當一台電腦的記憶體、運算速度，大約是一般筆電的超過一萬倍以上，就可稱做超級電腦。也就是說，在一般筆電要花一萬個小時的計算，在超級電腦只要花一小時。近年來，電腦運算速度越來越快，幫助我們處理更複雜的問題。
「模擬」是根據基本數學、物理建構出來，製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯，這就需要驗證。
陳科榮舉了工業上的例子，說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬，若要測試新型汽車的效能，就會先製造一個實體的模型車，放在「風洞」裡，讓風吹向車子，觀察流線的分布，來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車，只要用電腦模擬，計算流體力學，就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後，才需要做出實體的模型車，再放到風洞裡做實驗，省下了很多開發資源。
用電腦模擬，追探觀測背後的玄機！
用電腦模擬來研究天文，可以幫助我們了解：天文觀測到的現象背後，到底發生了什麼事。
陳科榮說明，我們一般看到宇宙都是看到「光」，光會帶來很多訊息，但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情，有些訊號可能會傳到大樓外，但是大部分的光線都被牆壁擋住，大樓外面的人無法得知我們在做什麼。
例如，超新星爆炸是發生在恆星內部的過程，我們只能看到爆炸後的現象，卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家，便試著去探索背後的機制，了解爆炸怎麼產生。
以上方影片為例，這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說，中間有個很大的中子星，中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光，且在輻射機制的加速過程中，被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻，可成長出「渦流」(eddy)，形成大尺度的不穩定結構。
陳科榮發現，磁星的超新星爆炸機制，模擬出來的結構，竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像，推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。
陳科榮再舉一個爆炸模擬，如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散，但其實有種不均向的超新星，稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極，產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞，整顆炸開。
化作春泥更護花──超新星與宇宙學
陳科榮在博士班三年級的時候，得到一個獎學金，去德州大學做研究，開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢？陳科榮引用詩句來詮釋：
落紅不是無情物，化作春泥更護花。
星星就像是一朵花，這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時，這朵花就散落了，但是花瓣回歸到泥土，就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣，散出去的物質，變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此，超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。
宇宙很大，恆星很小，恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大，細胞很小，但是細胞發生問題，可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要，但因為跨越了巨大的物理空間，是不易研究的課題。
為求了解恆星對宇宙的影響，陳科榮做了宇宙結構的模擬，如下方影片所示。首先，恆星會發光，將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞，氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星，則會發生許多有趣的變化。
在超新星的爆炸過程，會見到「紊流」這個現象。無序的紊流，是普遍發生於自然界的擴散過程。例如，滴下一滴墨水，很快地，杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜，出現了「瑞利–泰勒不穩定性」等現象，使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片，我們可以仔細品味其中的過程，以及無序之美。
（紊流影片來源│謝宜達提供）
難以入眠的模擬天文學家
宇宙星體很美麗，卻看似離實際利用較遙遠，那研究目的是什麼呢？陳科榮認為，研究基礎科學最重要的動機，是對人類知識做出貢獻，滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢，總是往後才應用出來的事。
陳科榮舉例，電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念，國王問他，這個東西對國王有什麼用？法拉第回答，他也不知道這能幹嘛，但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來，全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙，現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。
但若未來人類要去外太空旅行，也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。
談到研究的甘苦，陳科榮說，其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現，經常是失敗過很多次了。不過，痛苦與樂趣是相對的，如果沒有痛苦，就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊，經常睡覺就沒有睡好，但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式，像是在美國時，有時自己一個人開車到山上躲個幾天，調劑身心。
模擬天文學家的另一項樂趣，是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片，經常讓人感到新奇，容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材，創作出富有哲思的藝術品。
另一方面，陳科榮認為，能夠當科學家是得到一種「優待」，可以做自己喜歡的事，又有薪水過活；在研究上，自己就是自己的「老闆」，是個自由的工作。
相對地，科學家也有許多義務，不僅要做好研究，對人類知識做出貢獻，也有一些社會責任：將知識傳承下去，教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行，在中研院成立了「爆炸小組」，帶領學生一起做研究，希望幫助學生，並且讓研究環境變得更好。
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