10.11 恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

超新星爆发离我们的生活很远吗?我们没有看见过超新星爆发,但是组成我们身体的重元素确是超新星爆发的遗迹,简单说,超新星爆炸后的尘埃组成了我们的身体。此外,我国在东汉时期就已经发现并记录了超新星爆发事件,这是人类有历史记录以来最早的超新星记录。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

超新星爆发遗迹

超新星爆发是大质量恒星(八倍太阳质量以上)在达到演化终点发生的剧烈爆炸现象。超新星爆发时会发出耀眼的光芒,并可以持续很长时间,在爆发期间辐射出来的能量可以和太阳一生发出的能量之和像媲美。在剧烈的爆炸中,大量的恒星物质会被超高速抛洒到星际空间,里面含有未来的及参与核聚变的氢、氦等轻元素,也有几乎所有种类的重元素。这些物质以星云的形式从爆炸中心向周围扩散,形成蔚为壮观的星云团,并可能成为下一颗恒星诞生的火种。超新星爆发之后有两种结局:一种是恒星全部解体,无法在爆炸中心留下任何天体;另一种是超新星爆发之后在中心留下致密天体如中子星或者黑洞。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

超新星爆发遗迹

根据目前的天文观测及理论模型发现超新星有几种不同类型,但其形成的机制主要有两种形式:一是通过核聚变产生能量的过程终止或突然启动。当一个衰老的大质量恒星内核无法再通过核聚变反应产生能量对抗自身重力时,它有可能会通过引力坍缩的过程坍缩为一个中子星或黑洞。其中坍缩过程中释放的能量会将恒星表面的物质驱散形成壮丽的超新星爆发。另一种形成机制通常出现在双星系统中,一颗死亡的小质量恒星演化成白矮星,白矮星会吸积其伴星表面物质,从而提升自身的质量与核心温度,从而导致碳元素的核聚变反应。当这颗白矮星的质量超过钱德拉塞卡极限(约为1.44倍太阳质量)的白矮星内部的核聚变炉无法提供足够的能量对抗自身重力时,白矮星就会发生引力坍缩效应会,接下来就是发生超新星爆发。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

双星系统

超新星爆发的类型可以分为以下几种:

I型超新星:没有氢吸收线A

  • Ia型超新星:没有氢、氦吸收线,有硅吸收线
  • Ib型超新星:没有氢吸收线,有氦吸收线
  • Ic型超新星:没有氢、氦、硅吸收线

II型超新星:有氢吸收线

  • II-P超新星在光度曲线上有一个“高原区”
  • II-L超新星 光度曲线(星等对时间的改变,或光度对时间呈指数变化)呈“线性”的衰减

Ia型超新星是在一个以碳-氧为主要成分的白矮星吸积了足够多的物质并达到了约为1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限(对于一个不发生自转的恒星而言),它将无法再通过电子简并压力来平衡自身的引力从而会发生坍缩。Ia型超新星爆发是一种很特殊的类型,因为他们在爆发时的质量体积等参数相差无几,所以在爆发时发出的光强度几乎是恒定的。利用这个特性,天文学家常常将他们作为标准烛光来测量其所在星系与太阳系的距离。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

超新星

超过8倍太阳质量的大质量恒星的演化是很复杂的。新形成的大质量恒星由于中心部分聚集了大量的氢元素,在超高温度与超高压力的双重作用下,发生4个氢核聚合成一个氦核的反应并发出巨大的能量。氢核聚变产生的巨大能量以辐射的形式向外传递,巨大的辐射压与电子简并压共同对抗自身重力的影响。随着中心氢核聚变减少氦核的增加,导致中心氢核聚变产生的能量越来越少,辐射压力随即减小,电子简并压与辐射压之和小于自身重力,所以恒星就发生了重力收缩。在收缩之后,核心的原子核距离变小、温度上升,接下来氦核的聚变燃烧开始,此时恒星生成了氢核聚变的外壳与氦核聚变的核心。氦核聚变由3个氦核生成一个碳核,其产生的辐射压与电子简并压之和大于自身重力,导致恒星的膨胀。接下来随着氦核的燃烧殆尽,恒星进一步收缩并点燃下一种元素碳并生成氧、镁、氖等元素,恒星的每一次收缩就代表着下一个重元素的聚合反应。这种骨诺米牌效应最终在生成镍-56时停止,此时意味着恒星的生命到了尽头,无法再在核心生成任何的能量,没有了辐射压的电子简并力无法独自对抗巨大的自身压力,内核发生了坍缩。

内核物质以极速(超过0.2倍光速)像中心跌落,并撞击在坍缩形成的内核表面,巨大的冲击波会使铁原子核发生解体形成轻元素与中子并发生反弹。同时内核温度与密度会急剧增长,其核心温度可以达到一千亿开尔文,由此辐射出大量的中微子。巨量的中微子裹挟着返弹的物质形成巨大的冲击波,并在很短的时间内到达恒星表面并与物质发生剧烈的爆炸,放出耀眼的光芒。表面的物质在冲击波的作用下被驱散到四周形成壮观的星云,中心则会形成一个致密的天体,原始恒星质量在25倍太阳质量以下的会生成一个致密的中子星,高于这个质量的会形成一颗黑洞。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

黑洞

历史上,人类已经观测到了很多次的超新星爆发,尤其是随着现代科技的发展,新的观测手段不断出现,人类可以看到遥远星系的超新星爆发。

目前人类有希望看到的超新星爆发是离地球7000-8000光年的海山二,它是一颗质量高达130-150倍太阳质量的蓝变星双星系统。天文学家预测他将在不久之后发生超新星爆发,并可能会形成一颗黑洞。

更重要的是,它的爆发有几率毁灭地球生命哦。

恒星死亡前夜的狂暴——超新星爆发

海山二星系


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