簡介

? ? ? ? II型超新星產(chǎn)生于恒星的快速坍縮和劇烈爆炸。想要形成II型超新星，恒星的質(zhì)量至少是太陽的8倍以上，但不超過太陽的40~50倍。II型超新星與其他類型超新星的區(qū)別在于它們的光譜中存在氫。它們通常在螺旋星系的旋臂和H II區(qū)觀測到，但在橢圓星系中沒有。因?yàn)闄E圓星系中的恒星通常由較老的、質(zhì)量較低的恒星組成，很少有質(zhì)量非常大的恒星。

? ? ? ?恒星通過元素的核聚變產(chǎn)生能量。與太陽不同的是，大質(zhì)量恒星擁有足夠的質(zhì)量來融合原子質(zhì)量大于氫和氦的元素，盡管溫度和壓力越來越高，導(dǎo)致恒星壽命相應(yīng)縮短。電子的簡并壓和這些聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量足以抵消引力，防止恒星坍縮，維持恒星平衡。恒星不斷融合質(zhì)量更高的元素，從氫開始，然后是氦，在元素周期表中不斷上升，直到產(chǎn)生鐵和鎳的核心。鐵或鎳的聚變不會產(chǎn)生凈能量輸出，因此不會發(fā)生進(jìn)一步的聚變，使鎳鐵核心處于惰性狀態(tài)。由于缺乏能量輸出產(chǎn)生向外的熱壓，核心由于重力而收縮，直到恒星的覆蓋重量可以在很大程度上由電子簡并壓支撐。

? ? ? ?當(dāng)惰性核的壓實(shí)質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限(質(zhì)量=太陽的1.44倍)時，電子簡并不再足以對抗引力壓縮。災(zāi)難性的核內(nèi)爆在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生。沒有了現(xiàn)在內(nèi)爆的內(nèi)核的支持，外核在重力作用下向內(nèi)坍縮，速度達(dá)到光速的23%，突然的壓縮使內(nèi)核的溫度增加到1000億開爾文。中子和中微子是通過反向衰變形成的，在10秒的爆發(fā)中釋放約以1百載焦耳(10^46焦耳，凡大數(shù)之法，萬萬曰億，萬億曰兆，萬兆曰京，萬京曰垓，萬垓曰秭，萬秭曰穰，萬穰曰溝，萬溝曰澗，萬澗曰正，萬正曰載，萬載曰極。)。內(nèi)核的坍縮被中子簡并中止，導(dǎo)致內(nèi)爆反彈并向外彈回。這種不斷膨脹的激波的能量足以破壞上面的恒星物質(zhì)，并將其加速到逃逸速度，形成超新星爆炸。激波和極高的溫度和壓力會迅速消散，但存在的時間足夠長，足以在短時間內(nèi)產(chǎn)生比鐵更重的元素。根據(jù)恒星的初始質(zhì)量，核心的殘留物形成中子星或黑洞。由于潛在的機(jī)制，產(chǎn)生的超新星也被描述為核心坍縮超新星。

? ? ? ? II型超新星爆炸有幾種類型，它們是根據(jù)爆炸后產(chǎn)生的光曲線(光度與時間的關(guān)系圖)進(jìn)行分類的。II-L型超新星在爆炸后顯示出光曲線的穩(wěn)定(線性)下降，而II-P型超新星在光曲線中顯示出一段較慢的下降(平臺期)，隨后是正常的衰減。

鐵心災(zāi)變

? ? ? ?比太陽質(zhì)量大的恒星以復(fù)雜的方式演化。在恒星的核心，氫被聚變成氦，釋放熱能，加熱恒星的核心，并提供向外的壓力，支持恒星的層免于坍塌——這種情況被稱為恒星或流體靜力平衡。內(nèi)核產(chǎn)生的氦在那里聚集。核心的溫度還沒有高到足以引起核聚變。最終，隨著核心的氫被耗盡，聚變開始減緩，重力導(dǎo)致核心收縮。這種收縮將溫度提高到足夠高，從而允許更短的氦聚變階段，產(chǎn)生碳和氧。

? ? ? ?當(dāng)恒星在氦燃燒階段結(jié)束時收縮時，恒星的核心直接產(chǎn)生所需的溫度和壓力，使核心中的碳開始融合。核心逐漸變得像洋蔥一樣分層，隨著越來越重的原子核在中心聚集，最外層是氫，周圍是一層氫聚變成的氦，周圍是一層氦通過3α過程(三個氦4聚變?yōu)橐粋€碳12)聚變成的碳，周圍的層聚變成越來越重的元素。

? ? ? ?如果恒星的質(zhì)量小于太陽的8倍，恒星的核心坍縮后逐漸冷卻成為白矮星(碳氧白矮星或氧氖鎂白矮星)。

? ? ? ?如果恒星質(zhì)量足夠大，可以在這一點(diǎn)之后繼續(xù)聚變。

? ? ? ?隨著恒星的演化，它經(jīng)歷了多次階段，在這些階段中，核心的聚變停止了，核心坍塌，直到壓力和溫度足夠開始下一階段的聚變，重新點(diǎn)燃以停止坍塌。

? ? ? ?限制這一過程的因素是核聚變釋放的能量，這取決于將原子核結(jié)合在一起的結(jié)合能。每增加一步產(chǎn)生越來越重的原子核，聚變時釋放的能量越來越少。此外，從碳燃燒開始，通過中微子產(chǎn)生的能量損失變得顯著，導(dǎo)致比其他情況下更高的反應(yīng)速率。這一過程一直持續(xù)到產(chǎn)生鎳-56，在幾個月的時間里，鎳-56放射性衰變?yōu)殁?56，然后是鐵-56。由于鐵和鎳在所有元素中每核子的結(jié)合能最高，因此核心不能通過聚變產(chǎn)生能量，因此鎳-鐵核心會增大。這個核心處于巨大的重力壓力之下。由于沒有核聚變來進(jìn)一步提高恒星的溫度以防止坍縮，它只能由電子的簡并壓來支撐。在這種狀態(tài)下，物質(zhì)是如此致密，進(jìn)一步的壓縮將需要電子占據(jù)相同的能量狀態(tài)。然而，這對于相同的費(fèi)米子粒子是禁止的，比如電子——這種現(xiàn)象被稱為泡利不相容原理。

? ? ? ? 當(dāng)內(nèi)核的質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限時，簡并壓力就無法再支撐它，災(zāi)難性的崩潰就會發(fā)生。核心的外部部分在向恒星中心坍縮時，速度可達(dá)70000公里/秒(光速的23%)。迅速縮小的核心加熱，產(chǎn)生高能伽馬射線，通過光分解將鐵核分解成氦核和自由中子。隨著核心密度的增加，它在能量上變得有利于電子和質(zhì)子通過逆衰變合并，產(chǎn)生中子和被稱為中微子的基本粒子。由于中微子很少與正常物質(zhì)相互作用，它們可以從核心逃逸，帶走能量，進(jìn)一步加速坍縮，坍縮過程在毫秒級的時間尺度內(nèi)進(jìn)行。隨著核心從恒星的外層分離，其中一些中微子被恒星的外層吸收，開始了超新星爆炸。

? ? ? ? 對于II型超新星，坍縮最終由短程排斥性中子-中子相互作用終止，這種相互作用由強(qiáng)作用力和中子的簡并壓所介導(dǎo)，其密度與原子核相當(dāng)。當(dāng)坍縮停止時，落入的物質(zhì)會反彈，產(chǎn)生向外傳播的激波。爆炸產(chǎn)生的能量使核心內(nèi)的重元素分離。這降低了震動的能量，從而使外核內(nèi)的爆炸停止。

? ? ? ? 核心坍縮階段的密度和能量如此之大，以至于只有中微子能夠逃脫。當(dāng)質(zhì)子和電子通過電子俘獲結(jié)合形成中子時，電子中微子就產(chǎn)生了。在典型的II型超新星中，新形成的中子核的初始溫度約為1000億開爾文，是太陽核心溫度的1萬倍。為了形成一顆穩(wěn)定的中子星，必須釋放出大量的熱能，否則中子就會“蒸發(fā)掉”。這是通過進(jìn)一步釋放中微子來完成的。這些“熱”中微子形成各種口味的中微子-反中微子對，總數(shù)是電子捕獲中微子的數(shù)倍。這兩種中微子產(chǎn)生機(jī)制將坍縮的重力勢能轉(zhuǎn)化為10秒的中微子爆發(fā)，釋放出大約1百載焦耳(10^46焦耳)。

? ? ? ?通過一個尚不清楚的過程，大約1%/1載焦耳(10^44焦耳)釋放的能量(以中微子的形式)被停滯的激波重新吸收，產(chǎn)生了超新星爆炸。在SN 1987A中觀測到由超新星產(chǎn)生的中微子，這使得天體物理學(xué)家得出結(jié)論，核心坍縮的圖像基本上是正確的。基于水的神岡II和IMB儀器檢測到熱源的反中微子，而基于鎵-71的巴克桑儀器檢測到熱源或電子捕獲源的中微子(輕子數(shù)= 1)。

? ? ? 當(dāng)恒星的質(zhì)量低于太陽的20倍(取決于爆炸的強(qiáng)度和掉落的物質(zhì)數(shù)量)時，核心坍縮后的退化殘余物就是中子星。在這個質(zhì)量之上，殘余物坍塌形成黑洞。這種類型的堆芯坍塌的理論極限質(zhì)量約為太陽的40~50倍。超過這個質(zhì)量的恒星被認(rèn)為會直接坍縮成黑洞，而不會形成超新星爆炸，盡管超新星坍縮模型的不確定性使得這些極限的計算不確定。

理論模型

? ? ? ? 粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是一種理論，它描述了構(gòu)成所有物質(zhì)的基本粒子之間的四種已知基本相互作用中的三種。這個理論可以預(yù)測粒子在許多條件下如何相互作用。超新星中每個粒子的能量通常為1-150皮焦耳(數(shù)十到數(shù)百兆電子伏)。超新星中涉及的每個粒子的能量很小，以至于從粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中得到的預(yù)測可能是基本正確的。但是高密度可能需要對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修正。特別是，基于地球的粒子加速器可以產(chǎn)生比在超新星中發(fā)現(xiàn)的更高能量的粒子相互作用，但這些實(shí)驗(yàn)涉及單個粒子與單個粒子的相互作用，而且超新星內(nèi)部的高密度很可能會產(chǎn)生新的影響。中微子和超新星中的其他粒子之間的相互作用發(fā)生在弱核力下，這被認(rèn)為是很好的理解。然而，質(zhì)子和中子之間的相互作用涉及到強(qiáng)核力，這是不太清楚的。

? ? ? ?II型超新星尚未解決的主要問題是，尚不清楚中微子的爆發(fā)如何將其能量轉(zhuǎn)移到恒星的其余部分，從而產(chǎn)生導(dǎo)致恒星爆炸的激波。從上面的討論中，只需要百分之一的能量被轉(zhuǎn)移就能產(chǎn)生爆炸，但要解釋這百分之一的能量轉(zhuǎn)移是如何發(fā)生的已經(jīng)被證明是極其困難的，即使所涉及的粒子相互作用被認(rèn)為是很好的理解。在20世紀(jì)90年代，一個模型涉及到對流翻轉(zhuǎn)，這表明對流，無論是來自下面的中微子，還是來自上面的物質(zhì)，都完成了摧毀祖恒星的過程。比鐵更重的元素是在這次爆炸中通過中子捕獲形成的，中微子的壓力壓進(jìn)“中微子球”的邊界，在周圍空間中散布一團(tuán)氣體和塵埃，這些氣體和塵埃比恒星最初形成的物質(zhì)含有更豐富的重元素。

? ? ? ?由標(biāo)準(zhǔn)模型建立的中微子物理學(xué)對于理解這一過程至關(guān)重要。另一個關(guān)鍵的研究領(lǐng)域是構(gòu)成垂死恒星的等離子體的流體動力學(xué);它在核心坍塌過程中的表現(xiàn)決定了沖擊波形成的時間和方式，以及它何時和如何停止和重新激活。

? ? ? ?事實(shí)上，一些理論模型在失速激波中包含了一種流體動力不穩(wěn)定性，稱為“原地吸積激波不穩(wěn)定性”(SASI)。這種不穩(wěn)定性來自于使失速激波振蕩從而使其變形的非球面擾動。SASI在計算機(jī)模擬中經(jīng)常與中微子理論一起使用，以重新激活失速激波。

? ? ? ? 計算機(jī)模型已經(jīng)非常成功地計算了II型超新星在激波形成時的行為。通過忽略爆炸的第一秒，并假設(shè)爆炸已經(jīng)開始，天體物理學(xué)家已經(jīng)能夠?qū)Τ滦钱a(chǎn)生的元素和預(yù)期的超新星光變曲線做出詳細(xì)的預(yù)測。

光變曲線

? ? ? ?當(dāng)II型超新星的光譜被檢查時，它通常顯示出巴爾默吸收線——?dú)湓游漳芰康奶卣黝l率上的通量減少。這些線條的存在被用來區(qū)分這類超新星和I型超新星。

? ? ? ? 當(dāng)II型超新星的光度在一段時間內(nèi)被繪制出來時，它會顯示出一個特征的亮度上升到峰值，然后下降。這些光曲線的平均衰減速率為每天0.008等；比Ia型超新星的衰變速率低得多。II型根據(jù)光曲線的形狀又細(xì)分為兩類。II-L型超新星的光曲線顯示出峰值亮度之后的穩(wěn)定(線性)下降。相比之下，II-P型超新星的光曲線在衰退期間有一個獨(dú)特的平坦延伸(稱為平臺);表示光度以較慢的速度衰減的一段時間。凈光度衰減率較低，II-P型為0.0075等/天，II-L型為0.012等/天。

? ? ? ?在II-L型超新星的情況下，光曲線形狀的差異被認(rèn)為是由前身星的大部分氫包層被排出造成的。II-P型超新星的平臺期是由于外層不透明度的改變。激波使外層的氫原子電離——從氫原子中剝離電子——導(dǎo)致不透明度顯著增加。這就阻止了來自爆炸內(nèi)部的光子逃逸。當(dāng)氫氣冷卻到足以重新結(jié)合時，外層就會變得透明。

亞種

IIn型超新星

? ? ? ?“n”表示窄，表示光譜中存在窄或中等寬度的氫發(fā)射線。在中等寬度的情況下，爆炸噴出的物質(zhì)可能與恒星周圍的氣體發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用——恒星周圍的介質(zhì)。解釋觀測性質(zhì)所需的估計恒星周圍密度比標(biāo)準(zhǔn)恒星演化理論所預(yù)期的要高得多。一般認(rèn)為，高的星周密度是由于IIn型前身星的高質(zhì)量損失率。估計的質(zhì)量損失率通常每年高于太陽質(zhì)量的0.001倍。有跡象表明它們的前身星是藍(lán)特超巨星，在爆炸前有巨大的質(zhì)量損失。SN 1998S和SN 2005gl是IIn型超新星的例子；而被稱為極超新星的SN 2006gy可能是另一個例子。

IIb型超新星

? ? ? ?IIb型超新星在初始光譜中有一條弱氫線，這就是它被歸類為II型超新星的原因。然而，后來H發(fā)射變得無法檢測，并且在光曲線中還有第二個峰。它的前身可能是一顆大質(zhì)量恒星，它排出了大部分外層，或者由于與雙星系統(tǒng)中的伴星相互作用而失去了大部分氫包層，留下了幾乎完全由氦組成的核心。隨著IIb型噴射物的膨脹，氫層迅速變得更加透明，并顯示出更深的層。IIb型超新星的經(jīng)典例子是SN 1987K與SN 1993J，而另一個例子是仙后座A。