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模擬天文學家陳科榮:計算機裏的浩瀚宇宙


科技百達通科技百達通天文學家無法做實驗來制造一個宇宙,卻可以在超級計算機中制造小宇宙,探索宇宙中複雜的現象。天文及天文物理研究所的助研究員陳...

- 2021年10月24日02時55分
- 科學文摘 / 科技百達通

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天文學家無法做實驗來制造一個宇宙,卻可以在超級計算機中制造小宇宙,探索宇宙中複雜的現象。天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮的工作就是利用計算機模擬,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。

我們一般人對於天文學家的想象,是拿著望遠鏡觀測宇宙的仰觀者。陳科榮是大家較不熟悉的另一類型:模擬天文學家。對於模擬天文學家而言,超級計算機就是望遠鏡,他們可以在超級計算機裏模擬我們所生活的宇宙。

一、超級計算機

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裏做測試,但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來,必須仰賴計算機來做實驗。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序,讓超級計算機計算。

什麼是超級計算機?陳科榮解釋,當一台計算機的存儲器、運算速度,大約是一般筆記本電腦的超過一萬倍以上,就可稱做超級計算機。也就是說,在一般筆記本電腦要花一萬個小時的計算,在超級計算機只要花一小時。近年來,計算機運算速度越來越快,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,制造一個虛擬的世界。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,說明計算機模擬的應用。過去沒有計算機模擬,若要測試新型汽車的效能,就會先制造一個實體的模型車,放在風洞裏,讓風吹向車子,觀察流線的分布,來判斷模型是否優良。

現在不必花高成本制造模型車,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,再放到風洞裏做實驗,省下了很多開發資源。模擬天文學家要做的工作就是類似於風洞的性質。

用超級電腦模擬,探尋觀測背後的玄機。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。我們可以借助天文望遠鏡的鏡頭看到閃爍著不同顏色的星體,卻不知道這些意味著什麼。

就像我們在大樓裏面討論事情,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恒星內部的過程,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。

陳科榮曾試著模擬磁星(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,竟然與美國航天局發布的蟹狀星雲非常像,推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。當然僅憑這一個事例可能還不太充足的說明什麼,也許帶有一些偶然性,對於科學來說是不嚴謹的。

陳科榮再舉一個爆炸模擬,一般想象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。這就像是大炮把恒星轟一個大洞,整顆炸開。這個景象特別壯觀,但放到宇宙的尺度下又變得微乎其微。

二、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,變成之後下一代新星成長所需要的元素。因此,超新星是宇宙、恒星生命周期中的重要過程。

宇宙很大,恒星很小,恒星卻能影響宇宙。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。恒星、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。

為求了解恒星對宇宙的影響,陳科榮特意做了宇宙結構的模擬。首先,恒星會發光,將周圍氣體加熱、遊離化。如果恒星死亡後直接變成黑洞,氣體會慢慢冷卻。但若恒星變成了超新星,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,杯子裏的水都變成藍色。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。我們可以仔細品味其中的過程,以及無序之美。

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、求知欲。是否能夠拿來賺錢,總是往後才應用出來的事。當愛因斯坦寫出質量與能量之間的轉化公式時,又有誰可以想象得到它會對我們以後的生活影響這麼大。

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。

三、失眠的天文家

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。他也有忙裏偷閑的方式,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。他說理論天文學家也不是時時理性,不苟言笑的。藝術也會在讓人放松身心,從而更好的獲得一些靈感。

陳科榮相當自豪的談起一個超新星爆炸模型的故事,過去他在加州大學聖塔克魯斯分校時,學校正好舉辦 50 周年校慶,選了他的這幅作品做成大型廣告牌,擺在舊金山市區,配上標語 “Who says you can’t crack open a star”。

四、總結

陳科榮所說的這幅作品是把兩個不同的模擬結合在一起,外層是超新星爆炸的結構,裏面是宇宙的結構。納須彌於芥子,把一個很大的結構容納到一個非常小的尺度。陳科榮認為,宇宙就是這樣,一沙一世界,一花一天堂。

另一方面,陳科榮認為,對於他來說能夠當科學家是得到一種優待,因為這樣可以做自己喜歡的事,又有薪水過生活;回到研究上,自己就是自己的老板,是個自由的工作。相比較於其他可能受到一些外在因素,而不得不放棄自己的愛好的工作來說,他對自己的現狀是十分滿意的。

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。陳科榮回到學校任職之後,立即身體力行,成立了研討小組,帶領學生一起做研究,希望幫助學生答疑解惑,並且讓研究環境變得更好。


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