宇宙最璀璨的奇觀:超新星爆發

宇宙奇觀:超新星爆發

大多數時候,每天我們抬頭看向天空時,總是亙古不變的太陽、月亮和星辰。除了太陽和月亮以及幾大行星之外,如果你不仔細看,很難能看出這些“亮點”是會緩慢移動的。似乎星空就是這樣,一直不曾改變。

但事實並非如此,如果你運氣好,生活在正好有超新星爆發的年代,那在超新星爆發的那些日子裡,你很有可能會看到天空中一個很明顯的光點,甚至在白天也能看到的清清楚楚。

在《宋史·仁宗本紀》就記載這這麼一句話:

嘉祐元年三月辛未,司天監言:自至和元年五月,客星晨出東方,守天關,至是沒。

其中這裡的1056年4月5日到1054年7月4日,司天監觀測到了一顆客星,在這裡指的就是超新星。

宇宙最璀璨的奇觀:超新星爆發

我們現在還能看到那次超新星爆炸遺留下來的蟹狀星雲。

宇宙最璀璨的奇觀:超新星爆發

在歷史上,關於超新星爆發的記載就有非常的多。不過,這些超新星爆發的位置都距離我們較遠,因此,我們不能感受到它具體有多恐怖。根據目前的觀測、模型和理論推算,如果太陽的位置發生一起超新星爆發,最亮時達到太陽亮度的幾十億倍都有可能。當然如果真的發生了,地球基本上也就沒了。所以,超新星爆發產生的能量是驚人的,亮度常常能夠比擬一個星系。那這可怕的現象到底是如何產生的呢?

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超新星爆炸的原理

實際上,超新星爆炸一般分兩種情況:

  • 熱核爆炸
  • 核坍縮

那這兩種情況是咋回事呢?

其實我們可以從“粒子”的角度來看,宇宙大爆炸之初,隨著溫度逐漸下降,物質粒子逐漸產生,其中氫原子和氦原子在宇宙中是最多的。宇宙中各種天體其實都是有原子構成的,尤其是各種恆星,它們主要都是氫原子和氦原子在引力的作用下聚合在一起。

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這時候,我們就要注意了,一般來說原子並不會整整齊齊地排列,而是十分好動的。

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由於恆星自身的質量特別大,就導致恆星內核的溫度特別高,壓強特別大。就拿太陽來說吧,內核的溫度就達到了1500萬度。這樣高的溫度,使得原子自身的形態都保持不住了,電子和原子核開始放飛自我,各玩各的,所以恆星內核是沒有完整的原子結構的,我們把這種狀態叫做:等離子態。

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這個時候就會出現一個問題,恆星內部大多都是氫,所以此時恆星內部應該是氫原子核和電子的海洋。氫原子核說白了就是質子,因此,恆星內核更類似於質子和電子的海洋。而質子和質子就會有一定地概率撞到一起,當條件足夠時,就有可能會發生核反應,點燃恆星,當恆星被點燃,也就進入了主序星。

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要注意的是,如果我們把恆星看成一個火爐,那這個火爐的燃料就是氫原子核(質子),而殘餘的爐渣就是氦原子核。其中四個質子發生核反應形成一個氦原子核,這個氦原子核是由兩個質子和兩個中子構成的。

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然後,如果恆星的質量足夠大,當核心所有的燃料都燒完後,恆星會通過自身的引力給自己換個檔位,在這個過程中就會發生

氦閃

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說白了就是讓核心溫度升高,換完擋之後,燃料就成了氦原子核,而爐渣就是碳原子核和氧原子核。

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如果氦也燒完了,按理說就應該開始燒碳原子核或者氧原子核。可問題時,有的時候恆星質量不夠,引力產生的溫度不足以讓碳原子核發生核聚變,這時也就換擋失敗了。但是,也不是沒有轉機的。像太陽系這樣,只有單一恆星的系統在宇宙中是少數,更多的是雙星系統甚至三星系統。

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一般在雙星系統中,質量更大的恆星都比較著急,燒得都比較快,當燒到碳燒不動時,就會變成一顆白矮星。接著,另外一顆恆星也會慢慢燒完氫,然後變成一顆紅巨星。這時候白矮星就有可能通過引力開始吃這顆紅巨星。

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這一次吃,白矮星的質量就會上升,就有可能達到觸發碳核聚變反應的條件,這時候燃料就是碳,而爐渣則是原子序數更大的元素,比如:氧、氖、鎂、硅等。

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這個過程非常快,在毫秒級就完成了,所以這就好比大規模爆炸一下,一下子就全炸了,也就是熱核爆炸,恆星會把自身的物質都拋灑到太空當中,什麼也不剩下,這就是Ia型超新星,這個過程也叫做碳閃

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熱核爆炸屬於質量中不溜時候的情況,還有一種情況是恆星自身質量超級大,它還能通過引力繼續把碳點著。所以,此時燃料是碳,爐渣是各種原子序數更大的元素。接近著,引力還會繼續促發原子序數更大的硅發生核聚變反應。

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此時,由於內核溫度實在太高,導致外層的溫度也很高,於是,恆星的每個層都在發生不同的核聚變反應,爐渣也各不相同,整個恆星看起來特別臃腫。

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而最終核心的爐渣主要就是鐵原子核,那鐵原子核還能繼續核聚變麼?

實際上,鐵原子核是十分穩定的,要讓它發生核聚變需要巨大的能量輸入,而生成的能量其實比沒有輸入的多。所以,鐵原子核很難發生核反應。

但有些恆星就是這樣引力特別大,於是繼續擠壓內核,直到核坍縮,光子都被壓到鐵原子核內部,直接把鐵原子核擊碎,產生自由的質子和中子,質子和電子反應生成中子和中微子,同時整個內核聚會炸開,這樣就是IIa型超新星

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這種類型的超新星威力巨大無比,就是上文所說的,常常亮度可以堪比整個星系的水平。在超新星爆炸過程中,物質也會被拋灑到太空當中。內核向內收縮,形成一箇中子星或者黑洞。

宇宙最璀璨的奇觀:超新星爆發

關於超新星爆炸的原理,我們就說到這裡。


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