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zt超新星——我们简直就是用恒星尘埃制造成的
超新星是恒星通过爆发而死亡的事件,它是如此猛烈,使得单个恒星在短时间内的亮度与含有上千亿颗类似太阳的普通恒星的整个星系的亮度一样。这样的事件比较少见。大多数恒星以远为平静的方式结束其生命,在我们银河系这样的星系中,超新星每百年才出现几颗。但这些事件对星系演化、对诸如我们人类等生命形式的存在,均至关重要,因为超新星既加工了比铁更重的所有元素,又在爆发时把这些以及其他重元素散布到太空中。你身体中的很多物质,就是在已经爆发为超新星的恒星内部加工出来的原子构成的,是超新星把这些元素扩散到星际物质中,而星际物质又能形成新的恒星、行星和人类。我们简直就是用恒星尘埃制造成的。



所有超新星爆发时的巨大能量,都是在恒星的核突然坍缩、直到变成中子星(在某些情况下也可能变成黑洞)般大小的过程中,经由基本相同的途径产生的;然而这种坍缩的触发却有两种不同的方式,而且它们产生两类外貌颇为不同的超新星(超新星个体之间还有更加细微的差异,因为不存在彼此全同的两颗恒星,不过这些差异不如主要差别重要)。这两类超新星叫做Ⅰ型和Ⅱ型,它们最初是根据光谱学研究加以区分的——Ⅱ型超新星光谱中有氢的谱线,Ⅰ型超新星光谱中却没有。通过超新星光谱的长期观测研究,以及观测与计算机模型的比较,现在已经能够将这种差异解释为两类超新星形成方式的不同。



Ⅰ型超新星可出现在椭圆星系和盘状星系中,但并不显示更多出现在旋臂中的倾向。它们由较低质量的老年星族Ⅱ恒星的残骸所形成,也出现在一颗子星已经演化到白矮星阶段(见恒星演化),并通过吸积从伴星获取物质的双星系统中。随着白矮星质量增加,它终于超过稳定白矮星的昌德拉塞卡极限(约1.4太阳质量),于是星体在自身重量作用下坍缩,将引力能以热能形式释放,并触发一阵产生大量中微子的核反应高潮。



Ⅰ型超新星又分为几个次型,其中Ⅰa型和Ⅰb型之间的差别最为主要。Ⅰa型超新星光谱中有硅的强谱线,Ⅰb型超新星则没有。Ⅰa型超新星释放的能量被认为能将坍缩白矮星炸散,喷发成一个质量与太阳相近的物质云,形成一个以数万公里每秒的速率向外运动的膨胀气壳(见超新星遗迹),从而导致星体完全瓦解。所有Ⅰa型超新星看来具有相当一致的光度(对应的峰值绝对星等为-19),这使它们成为可用于估计近邻星系距离的很有效的“标准烛光”。



比Ⅰa型更常见的Ⅰb型超新星的触发方式被认为基本相同,但出场的白矮星是由较大质量恒星因强烈恒星风而失去外层后遗留下来的。与Ⅰa型超新星的最重要差别是,Ⅰb型超新星真的剩下一个中子星或黑洞形式的残骸。然而在这两种情形下,双星系统看来都在爆炸中瓦解,将原始白矮星的伴星猛然抛向太空,成为所谓的“速逃星”。有一个很有趣的例子,三颗速逃星——白羊座53、御夫座AE和天鸽座μ——似乎是从猎户座中的同一个点射出,而且几乎肯定它们都是大约3百万年前一个四合星系统中发生的一次超新星爆发遗留下来的。



Ⅱ型超新星也能发生在双星系统(毕竟大多数恒星是双星的成员)或孤独恒星中。它们是富含重元素且主要出现在盘状星系旋臂中的年轻大质量星族Ⅰ恒星爆发而成。这些恒星在消耗完它们的核燃料时仍然拥有至少8倍太阳质量,它们如此巨大,甚至恒星风造成的物质抛射也不能把它们的剩余质量减少到昌德拉塞卡极限以下,因而即使没有从吸积中受益,它们的核心也必然坍缩。Ⅱ型超新星的个体差异比Ⅰa型显著(Ⅰb型更像Ⅱ型),亮度也较低——它们的绝对星等可达-17左右。但它们的性质已经了解得相当不错,以下描述的大部分细节已经由超新星1987A的研究得到证实(虽然该超新星实际上并非十分典型,因为研究表明它的前身星看来在最后坍缩之前已经损失了部分大气)。



关键性的理论洞察应追溯到发现中子以前不到两年的1934年。当时,瓦尔特·巴德和弗里茨·兹威基提出“超新星代表着从普通恒星到中子星之间的过渡”。但这一思想直到1960年代辨认出脉冲星就是中子星,而且蟹云脉冲星就在1054年从地球上观察到的一次超新星爆发所在地之后,才开始被全面接受。那时以来,不同研究者提出了各种模型来描述超新星现象,尽管模型略为不同,其基本特征则一样。这里讲述的概要乃是根据圣克鲁斯加利福尼亚大学的斯坦·伍斯利(Stan Woos1ey)及其同事们的计算,它描述了类似爆发成为超新星1987A的那样一颗恒星死亡前的挣扎。



这样一颗恒星形成于大约1,100万年前,其初始质量是我们太阳质量的18倍,所以它必须猛烈迅速地燃烧它的核燃料,以支持星体对抗引力。结果,它的亮度高达太阳的40,000倍,仅仅1,000万年就把核心的全部氢转变成了氦。随着恒星内部收缩和变热,氦燃烧得以开始,而恒星外部膨胀,使它变成超巨星。但氦燃烧只能继续支持恒星100万年。



一旦核心区的氦燃料供应枯竭,恒星就越来越快地燃烧其他燃料。通过将碳转变为氖、镁和氧等元素,恒星可以支持12,000年;氖燃烧能支持12年;氧燃烧只能支持4年;最后的绝望挣扎是动用硅的聚变,这也只能使恒星稳定一星期。以后的事情就十分有趣了。



硅燃烧甚至在大质量恒星中也是聚变反应的终点,因为它产生的各种原子核(如钴、铁和镍)是可能形成的最稳定的核。要制造更重的元素需要注入能量(见核合成)。就在超新星爆发前,所有能够导致生成这些铁族元素的常规核反应都是在围绕核心的壳层内进行的(也包括s过程的作用)。但全部硅转变为铁族元素后,在不到一秒钟的时间内核心就从太阳般大小坍缩成直径仅仅几十公里的团块。在这个初始坍缩阶段,引力能转化为热,产生大量高能光子,这些光子将核心中的重原子核拆开,正好与此前1,100万年间的核聚变的作用相反。铁原子核的这种“光致蜕变”是威利·福勒和弗雷德·霍伊尔在1960年代最先指出的。随着重原子核分裂成较小的核甚至个别质子和中子,电子便一反β衰变之道,被挤压进原子核和个别质子。这一切的能量来源于引力。留下来的是一个中子物质球,它本质上是直径约200公里、质量约太阳一倍半的单个“原子核”。



这一阶段的坍缩是如此强烈,以致这时中子球中心被压缩到密度甚至超过原子核内的密度。于是它往外弹回,向中子球物质和更外面的恒星发出激波。恒星外层物质(仍然拥有至少15倍太阳质量!)的底部在核心坍缩时被往下拉,这时以大约1/4光速向内部降落。但是,当激波与下降物质相遇时,它把向内的降落往回推,造成一个向外运动的波阵面,而将恒星吹散——但不会发生在这一切活动期间发射的大量中子通过r过程产生显著数量很重元素之前。



核心第二次亦即最终一直变成直径仅20公里的中子星的坍缩过程中产生的中微子强劲风暴跟随在激波后面,并很快赶上它。这个从容不迫的过程经历几十秒钟(不是十分之几秒)便完成了。这时,向外传播的激波力图推开它前面的15个太阳质量的物质,开始停顿下来。但由于激波停顿,波阵面的物质密度变得如此之高,甚至一部分以光速赶上激波的中微子也被它吸收,将足够的能量转移给激波,使激波得以再次开始往外传播以完成将恒星外层吹散的使命。其余的中微子则携带着等于超新星最终辐射可见光的200倍的能量,径直通过恒星外层而通向宇宙;对于超新星1987A,仅仅屈指可数的极少数中微子终于在地球上被探测到了。



这是一个极其重要的发现,因为天体物理学家计算出,如果没有中傲子的额外推动,激波便会止息,超新星也就绝不可能炸开。大量中微子的在场,是模型的最关键预言。当超新星1987A的中微子真的被探测到,很多理论家都宽慰地舒了一口气。即使有中微子的推动,现在以大约2%光速运动的激波花了两个小时才把恒星外层推向太空,并使恒星增亮而成为可见的超新星——这就是地球上探测到中微子略早于恒星明显增亮的原因。



当这一切正在进行的时候,尽管恒星的原始铁质核心已经转变为中子球,根据理论,高温高压激波中的大规模突发核反应应该产生了一直到包括铁族在内的很多重元素。这一活动的主要产品之一当是镍-56。镍-56是不稳定的,它通过相继的放射衰变,首先(以刚刚超过6天的半衰期)变成钴-56,然后钴-56(以77天的半衰期)再变成铁-56;铁-56则是稳定的。



至少理论是这么说的。对超新星1987A爆发后亮度衰减的观测表明,在头100天内,93%的能量确实是钴-56的衰变所提供,而且随着超新星继续减弱,观测依旧辉煌地证明了理论模型的正确。苏塞克斯大学的罗杰·泰勒(Roger Tayler)形容这些观测是“关于重元素起源的最重要、最令人激动的观测,它们证明[核合成]理论模型总体上是正确的”。光谱研究显示,超新星1987A生产了相当于8%太阳质量那样多的镍-56。



因此,根据1930年代中期以来对几百颗超新星的观测,和前几个世纪天文学家(包括第谷·布拉赫于1572年和约翰尼斯·开普勒于1604年)对屈指可数几颗超新星的记录所建立的模型,已为超新星1987A的详细性质证明为正确。每年大约有10颗超新星在其他星系中发现,但从天文望远镜发明以来银河系中一颗也没有。超新星爆发时,虽然可见光是我们的视觉最敏感的特征,但被爆发吹跑的恒星物质带走的能量10倍于此,而超新星核心达到大约开氏480亿度(相当于420万电子伏)的温度时产生的中微子形态的能量更是高达100或200倍。所有这些都来源于恒星核心坍缩时释放的引力能。即便超新星的可见光只占所释放能量的较小比例,不到一天就增亮大约15-20星等而达到最大亮度的恒星,仍然能在一星期左右时间内使其母星系中其余全部恒星加在一起的总亮度相形见绌。然后,随着爆炸时产生的不稳定原子核特别是钴-56通过放射衰变继续释放能量,它的亮度缓慢下降,几年以后才回复到原来的水平。
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来自:梁江勇  > 我的图书馆
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