當一顆恆星在其生命的盡頭爆炸時，它會將在其核心中鍛造的元素散佈到廣闊的空間中。其結果，即被稱為超新星遺蹟的引人注目的氣體和塵埃結構，包含了長期以來一直困擾研究人員的結構。但是，超新星在銀河系中每世紀只發生一到兩次，而且通常沒有預警，這使得研究它們的初始時刻變得困難。研究人員已經透過模擬對這些事件進行了建模，但是計算限制要求他們對更精細的細節做出假設。
佐治亞理工學院的研究人員希望透過一項新的實驗來改變這種狀況，該實驗旨在觀察超新星中的氣體如何混合，從而證實並幫助改進之前的模擬。他們楔形的裝置——他們有時稱之為“超新星披薩”——頂部寬約四英尺，厚度大約是一扇雙開門，封閉著兩種分離的惰性氣體。它的形狀使其能夠重現空間中圓柱體或球體切片內發生的物理動力學。該團隊在楔形的尖端引爆商業雷管，這模擬了超新星的中心，爆炸波混合了兩種氣體。一臺高速攝像機每 0.1 毫秒拍攝過程影像，揭示了大約相當於超新星爆炸後最初一小時的情況。研究人員在6 月份的《天體物理學雜誌》上描述了這項實驗。
該團隊觀察到，沿著兩種氣體相遇的線上的微小擾動是如何被爆炸波的推拉性質放大的，形成了蘑菇狀的擾動，這些擾動迅速變大。這些氣體捲曲產生了湍流，最終形成了低密度氣泡和長而高密度的尖峰。如果尖峰移動得足夠快，它就會斷裂並像子彈一樣加速，穿透幾層氣體。
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研究人員一直對來自超新星爆炸深處的重元素外流感到困惑，這些外流的行為與這些尖峰相似。“我們不清楚我們看到的是爆炸內在的、不對稱的性質，還是實際上是由於湍流造成的，”加利福尼亞州帕薩迪納市卡內基天文臺的超新星理論家安東尼·皮羅說，他沒有參與這項研究。皮羅說，這項新研究說明了湍流可能產生多大的影響，儘管有必要進行進一步的檢查以瞭解該模型的侷限性。
在模擬超新星爆炸後的毫秒內，氣體向外膨脹。圖片來源：DEVESH RANJAN、STAM 實驗室和佐治亞理工學院
皮羅說，大多數超新星模型都納入了關於較小尺度上會發生什麼的基本假設，以避免數週的額外計算時間。新的研究有助於評估這些假設。密歇根大學的物理學家卡羅琳·庫蘭茲說，科學家現在“可以看到不同的、更小尺度的結構演變”，她也沒有參與這項工作。該實驗產生的結構類似於她在研究等離子體如何混合時所看到的：“理論預測它們應該是相似的，而[研究人員]發現它們確實如此。”
皮羅認為，該實驗為超新星中涉及的“許多物理現象提供了驚人的證實”。他說，這將有助於校準他使用的模型，同時讓科學家更好地理解超新星和遺蹟觀測。
構建一個盒裝超新星也帶來了自身的挑戰。地球的引力遠小於垂死恆星的引力，而微小的商業爆破器產生的能量也少得多。但是“即使爆炸的爆裂聲較小，我們處理的其他事物也較小，因此比例是匹配的，”佐治亞理工學院研究生、該研究的主要作者本傑明·穆斯基說。
穆斯基說，防止氣體從實驗的側壁反彈（這在太空中顯然不存在）“是一場漫長而艱苦的戰鬥”。他花了將近一年的時間才找到一個出乎意料的簡單解決方案：用新電腦包裝盒中的包裝泡沫襯在牆壁上。這種材料吸收氣體，阻止它們反射。“這種泡沫會經常被爆炸炸成碎片，因此它減慢了我們的執行時間，”他補充道。“但如果沒有它，物理現象將完全不同。”
另一個擔憂是維度。皮羅指出，在二維空間中膨脹的氣體的行為往往與在三維空間中不同，產生更大的渦流，並且需要更長的時間才能分解。這是研究人員未來可能會研究的方向。
該研究的首席研究員、佐治亞理工學院天體物理學家德維什·蘭詹說，以前的超新星實驗已經在更大的尺度上進行過。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等站點使用數十個雷射器照射鉛筆橡皮大小的材料，將其蒸發以引發令人印象深刻的爆炸。蘭詹說，權衡在於細節的數量：更大的實驗產生的影像很少，只能瞥見產生的結構。但是超新星披薩在氣體混合的幾秒鐘內可以拍攝 200 張照片。“我們的實驗提供的是整個過程的動態檢視，”蘭詹說。透過結合來自兩種實驗的見解，“我們應該能夠共同說明真實超新星中發生的事情。”
皮羅對該團隊的實驗是同類首個並不感到驚訝。“你必須是所有不同型別的實驗技術的專家才能將所有這些結合在一起，”他說。“這個小組在實驗室環境中嘗試解決這些問題的創造力真的令人鼓舞。”
將這項研究與探測超新星不同方面的其他研究以及不斷發展的模型相結合，將有助於研究人員最終梳理出當一顆真正的恆星爆炸時他們無法觀察到的細節。“如果描述不同尺度上發生的事情的通用模型是總體目標，”庫蘭茲說，“使用這些實驗——尤其是在不同尺度和不同條件下——可以幫助推動實現這一目標。”