超新星爆发机制及能量来源

超新星爆发机制

既然超新星爆发是恒星演化中发生的如此惊人的现象，那么关于它的爆发机制及能量来源就是很值得研究的课题。

根据超新星的光度和光谱特征，超新星有两种类型:Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超新星有相同的亮度随时间变化的特征(光变曲线);而Ⅱ型超新星的光变曲线之间的差别则相当大。Ⅰ型超新星的光谱中氢线较弱，因此被认为它含氢量低，主要由重元素组成，属于星族Ⅱ，质量大约为3—8M_日。Ⅱ型超新星含氢量高，属于星族Ⅰ，质量一般大于8M_日。它们的光谱也有很大的不同。Ⅱ型超新星在光极大处完全是连续谱，一星期后才出现很宽的发射带。此外，Ⅰ型超新星爆发规模相对来说比Ⅱ型的小。由于两种类型超新星爆发机制不同，按Ⅱ型超新星的爆发机制，爆发后会在其中留下一颗脉冲星;而Ⅰ型超新星爆发后，全部物质都将飞散，不会留下什么。近来发现1993J超新星是一颗比较特殊的超新星，它在初期呈Ⅱ型爆发特征，后来又转为Ⅰ型，可见两种类型的超新星有时没有严格的界线。

1.Ⅰ型超新星爆发机制

霍伊尔和福勒认为，Ⅰ型超新星的爆发是恒星核心区电子发生简并时的碳闪引起的。中心区域碳燃烧所放出的核能，会产生很大的温度梯度，从而导致物质对流，当对流速度超过声速时，便会产生激波。由于激波前的物质速度比该处的声速小，所以激波后产生的能量不能有效地传递。热量在中心区域积蓄起来后，温度会进一步上升，并形成恶性循环。即碳燃烧产生的热量贮积的时间尺度比中心区域膨胀的时间尺度短得多，导致产生爆轰波使星体爆毁。因此，Ⅰ型超新星实质上是碳爆燃型超新星。

2.Ⅱ型超新星爆发机制

1987年2月23日加拿大的希尔顿作为智利的拉斯·康帕那斯客座天文学家在大麦哲伦星云中发现了一个超新星。它在爆发之前是一颗看不见的12等暗星，可是一下子成为1604年开普勒超新星爆发以来，第一颗用肉眼能够看到的超新星，人们称它为超新星1987A。它的发现在当时是举世瞩目的大事，和高温超导的发现并称为80年代末在自然科学领域中的“双超”大事，所以当时全球现代化的天文仪器都对准它进行观测。通过光变曲线等特征确认超新星1987A属于Ⅱ型。科学家为了深入研究，曾用大型计算机模拟了它的演化过程。

大约在11007/年前在大麦哲伦云(距地球16万光年)内有一颗具有18M_日的恒星诞生了。由于恒星质量大，氢燃烧速度很快，所以该恒星在主序阶段时比太阳约亮4万倍。(www.xing528.com)

(1)轮番核燃烧。这种大质量的恒星比较快地把中心区域的氢燃烧殆尽，即当整个恒星30%的氢烧完后，恒星中心区域失去了足以和引力相抗衡的压力。于是，恒星在引力作用下收缩，温度和密度都要升高，然后经历所有可能的平稳核燃烧阶段。当中心区域温度上升到1.9亿开时，氦开始燃烧，生成碳和氧，同时释放出大量的能量，使内部压力增大。这样，恒星又会变得比较稳定了，持续的时间将近100万年。由于能量向外传输，恒星外层膨胀，成了红超巨星，半径约为3亿千米。氦燃烧完熄火后，中心区将会再收缩和增温。当温度达7.4亿开时，碳便会开始燃烧，并生成氖、镁和钠，其持续时间约为1.2万年。然后温度升到16亿开，此后氖便开始燃烧，其持续时间大约为12年。氧燃烧仅能持续4年，而硅燃烧却只有一周。总之，热核反应和核心收缩是在交替进行着，上一轮核燃烧的“灰烬”正好是下一轮的燃料。而且热核反应的温度一轮比一轮高，反应速度一轮比一轮快。在核聚变链的一系列过程中，由氢而氦，而碳……直到最稳定的铁为止。对于M＞20M_日的恒星，可能越过碳、氖燃烧阶段，而直接进入氧燃烧阶段。最后形成了有点像洋葱那样的壳层结构，越往里温度越高，也越重。在核心部分主要是由铁组成，温度高达50亿开。

(2)原子核裂解。在如此高温下，与物质处于热平衡的光子的能量也很大，足以把铁核击碎，这是吸能反应。于是，恒星中心部分的平衡遭到了极大的破坏，这时整个星体不仅仅是收缩而是坍塌。坍塌时会使中心区的温度大大升高，这又促进了光致裂解的过程，从而形成恶性循环，使得星体坍塌过程进行得难以想像的猛烈，几乎是一场内爆。温度达到100亿开时，氦也裂解了。这时恒星中心区域所有的原子核都被打碎了，成为中子和质子。

(3)中子化过程。中心区中的电子会不断被压到质子里去，即发生逆p—衰变，变成中子和中微子，这个物质的中子化过程，中心区的物质99%是中子。同时原先作为主要压力来源的自由电子大部分被吸收了，这样又会促进塌缩。电子在被吸收前，处于高度简并状态，电子的费米能很大，因而与质子相互作用释放出来的中微子的能量也很大。经测量超新星1987A的中微子能量范围在6～40MeV。理论上可估算中心部分1.4Mg中包含有多少个质子，每个质子放出的中微子能量平均以10Me计，于是可知中微子携带的能量总共约1栌6焦。这个巨大的能量归根结底是由引力能转化来的，因为一个质量为1.4M_日的星体核心坍缩到半径为10千米的中子星时，释放的引力能为GM2/R，其值恰为146焦，它远大于超新星爆发时产生的辐射能1042焦，也大于气壳的动能1044焦。所以超新星的能量主要是由中微子携带。

(4)超新星如何爆发。超新星在引力坍缩的最后阶段，内爆如何会反过来变成向外爆炸呢?以及是什么力量将星体的外层吹掉，剩下半径只有10千米左右的中子星呢?这是人们迫切要了解的关键环节。

从铁核光致裂解开始，星体向中心坍塌的时标大约为1秒。接着在零点几秒的时间内，质量为1.4M_日，大小为地球一半的核心区域坍缩成半径约为100千米的早期中子球。中子球的外层仍然是铁，中子球的中心密度可超过原子核的密度。星体在猛烈的坍缩过程中，碰到了中心处这样坚硬的核心，所以40%星核的内层部分发生反弹，然而星核的外层部分仍以接近1/4光速向中心坍塌，猛烈的碰撞产生强劲的向外传播的激波。激波传到星体外层，外层的温度和密度大大提高，因而也燃烧起来，并在瞬间内发生大爆炸。

可是理论计算表明，反弹激波凭自己的力量传播不会超出星核的范围，以上的理论陷入了困境。幸好1973年粒子物理实验证实了中性流的存在，很快就用来说明激波的复活。中性流是指电子型中微子与核子碰撞时，交换中性中间玻色子，所以散射后不会产生电子，仍旧保持电子型中微子，同时质子(或中子)仍旧保持质子(或中子)。因此，当中微子与整个原子核发生相互作用引起的散射是相干散射。相干散射截面与核子数A的平方成正比，因此，在星体核心部分虽没有重的原子核，但在星核外层有重的铁原子核。中微子与铁核之间就有强得多的相互作用，它产生的压力要比原来计算的结果大得多。于是，中微子和失速激波的波面后的物质相互作用，推动激波以大约1/50光速向外传播，所到之处会引起迅猛的热核反应，电磁辐射也随之产生。由于来自星核的中微子是以光速运动，很容易赶上激波，所以中微子是离开超新星的第一批信号。在核心区的温度高达百亿度的情况下，由于电子与中微子会互相转化，所以核心区对中微子也不是透明的，中微子参与热平衡，参照太阳的光度以及中子星半径10千米、太阳半径7万千米和6000开的太阳表面温度，从而估算热中微子的发射率。

超新星爆发