超新星 爆发,彭秋和 (南京大学天文系),历史上的超新星,1054超新星遗迹,---蟹状星云(Crab) 及其脉冲星(PSR0531),近代超新星研究的序幕,1934年Baade & Zwicky在对河外星系的超新星进行系统地观测研究的基础上，在1/3页的短论文中提出了四个完全崭新的重要预言，它不仅正式提出中子星的观念,而且创见性地以超新星为枢纽把它同恒星死亡、中子星、高能宇宙线的起源联系起来 恒星死亡 超新星爆发 中子星 超新星爆发 高能宇宙线的起源 1942年Gamow利用Urca过程机制来探讨大质量恒星晚期核心坍缩的可能性 1960年丘宏义等人首先研究大质量恒星内正负电子对湮灭发射中微子对过程并提出它可能导致超新星爆发这实际拉开了现代高能天体物理理论研究的序幕 1966年Colgate 从流体动力学出发,首次从解析角度探讨了超新星核心坍缩的动力学过程正式拉开了现代超新星研究的序幕,超新星分类 与 观测特征,超新星分类,1. 核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc),2. 吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa),超新星分类(2),,SN: 按照光谱与光变曲线形状的特征来分类 I型（Ia, Ib/Ic）—无H线； II型 —有H线,超新星的观测特征,A) 光谱,光谱,H /无 H (光极大) SNII SNI 光变曲线形状 Si (Si II 6355,吸收线) / 无 Si (He线很弱) II L II P SN1987A SN1987K He ( 5876,吸收线) / 无 He Ia Ib Ic 晚期(6个月以后)光谱: H /无 H SNII SNI O/H O / 无 O SN1987K Ib, Ic Ia (H,O,Ca) (H, Ca) (O,Ca) (Fe, Co),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光谱观测的推论,1.SNI(a,b,c)爆发前后恒星物质基本上不含氢。
其前身星或者为白矮星、或者为 WR (Wolf – Rayet)星 (WR星: M主序 30 M⊙ ,Tc (7-9)107 K 强大星风将氢大气包层(甚至氦包层)全部吹掉) 2.SNIa 大气中 He 含量很低但 (外层大气中)Si元素不少 3.SNIb大气中主要成分是He 4.SNII爆前恒星外层以 H为主,其次为氧(O) 5.SNII+SNIb+SNIc产生大量的氧 , 而SNIa几乎不产生氧 6.SNIa爆炸过程中核合成最后产生并向外抛射大量的 Fe M(Fe) ~ (0.6 - 1.25) M⊙ /SNIa 但 SNII、 SNIb、SNIc 抛向太空的Fe很少 M(Fe) ~ 0.1 M⊙ /SNII,B) 光变曲线,光变曲线尾巴衰减规律: L exp{-t/} 放射性元素能源 ~ 64d (SN I ) ~ 90d (SN II-L) ~ 145d (SN II-P) 56Ni 56Co 56Fe i 8.8d 114d 1/2 6.8d 77.8d 伴随-ray : 0.847 MeV(99.96%) 1.238 MeV SN1987A: 从光变曲线尾巴的拟合 0.075 M⊙(56Ni) 500天以后: 56Co + 57Co ( 1/2 =271d) ( : 0.122 MeV (85.6%), 0.136 MeV ) 800天以后: 44Ti ( 1/2 = 4.7 年 ),C) 空间分布,SN Ia SN Ib SN II 旋涡星系和椭园 只出现在旋涡星系或不规则星系 星系内均有 同恒星形成区(H II区)相联系 在旋涡星系中， 同旋臂明显相关 同旋臂不相关 前身星 (同光谱特征相结合的推论) 双星系统中 WR星 较大质量主序星 吸积白矮星 M主序30 M⊙ 8 M主序/ M⊙30,D) 爆发能量,总辐射能 Er ~ 1049 ergs (对各类超新星) 抛射物总动能: EK ~ 1051 ergs (对各类超新星) ~ 104 Km/s SN Ia : Vmax 104 Km/s SN II: 一般: Vmax ~ 104 Km/s SN 1987A: Vmax ~ 3×104 Km/s (引力)束缚能: EB ~ (0.5 –1.0) × 1051 ergs (对各类超新星) 爆发总能量: SN Ia: E总 = Er+EK+EB ~ 1051 ergs SN II: 中微子暴: E ~ 1053 ergs (SN 1987A) (核心坍缩成中子星) E总 ~ 1053 ergs,E)爆发频率,,银河系内肉眼可见超新星爆发频率: q肉眼 ~ 1/(400年) (由于银河系内星际介质挡光，绝大多数超新星肉眼看不见) 各种统计方法推论 q总 ~ (1/25 –1/30) 年-1 SN Ia 爆发频率: 1990年以前认为 : qSNIa ~ qSNII 难以克服的矛盾: 由 M(56Fe) ~ (0.6 –1.25) M⊙ /SNIa M(56Fe) 0.1 M⊙ /SNII Fe族元素的某些富中子同位素的丰度远远超过太阳系标准值。
1991年重新分析统计: qSNIa ~ (1/6 –1/7) qSNII+SNIb 星系内一半以上的 Fe 来自 SN Ia,F ) 前身星,SN Ia : 双星中吸积的白矮星 SN Ib (SN Ic) : WR星 (M主序 (30-40) M⊙ ) SN II : 质量较大恒星: 8 M⊙ M主序 25 M⊙,E) 爆发后遗留致密残骸,SN Ia : 基本上全部炸光，不残存任何致密天体 只观测到膨胀的超新遗迹 — 气体星云 + 尘埃 + 碎片 例: SN 1006 核心坍缩型超新星: SN II : 中央残骸: 中子星(观测上表现为脉冲星) 例: SN1054 — 蟹状星云 + 蟹状星云脉冲星(Crab PSR) (PSR 0531; 周期: 0.033秒) 船帆座脉冲星(Vela PSR): PSR0833;周期: 0.086秒 SN Ib + SN Ic : 残留黑洞???,小结,,Ia,Ib,Ic,II,两类超新星的主要特征,II型超新星 的 爆发机制,大质量恒星热核演化结束,,,,,,,硅燃烧阶段结束 M≈(12-25)M⊙,H-包层,H-燃烧壳层,He-燃烧壳层,C-燃烧壳层,Ne-燃烧壳层,O-燃烧壳层,,,Si-燃烧壳层,Fe 核心,T (3-5)109K, 3109g/cm3,Mcore1.13 M⊙,大质量恒星核心坍缩的主要原因,电子俘获过程 :引起 超新星核心坍缩的关键过程,QEC (A,Z): 原子核 (A,Z)电子俘获的能阈值 QEC(12C) = 20.596 MeV, EC = 3.91010 g/cm3 QEC(56Fe) = 3.695 MeV, EC = 1.14109 g/cm3,重要原子核电子俘获的密度阈值,,,表中EC过程的能阈值己扣除电子的静止能量,广义相对论引力坍缩的临界密度,c(GR) 同 EC 的比较 结论: 引起SNII( SNIb、SNIc )核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程(EC)。
引起吸积白矮星坍缩(它导致SNIa 爆发)的主要因素是广义相对论效应 (光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素),超巨质量恒星坍缩的主要物理因素,超巨质量恒星坍缩的主要因素: 电子对湮灭为中微子对过程,非简并高温环境(T2×109K):,II型超新星核心坍缩与星体爆发图象,内核心:同模坍缩 Vr r (亚声速区) 外核心:自由坍缩 Vr ~ Vff/2 M内核心 ~ 0.6 M⊙ 内外核心交界面附近: Vr ~ (1/8 –1/4) c (光速),超新星核心坍缩与反弹,随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长一旦它 达到原子核密度 nuc ( nuc = 2.8×1014 g/cm3) 以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并 压强，物质状态方程 P 5/3 变成了稳定的系统，不再坍缩但由于惯性，直到中心 密度达到 (2-4) nuc时，内核心的坍缩才完全中止而内 核心外围的物质却继续以超音速坍塌,它们猛烈地撞击在 突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处 立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达 Eshock ~ 1051-52 ergs。
光裂变反应导致反弹激波的能量损耗,反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的 自引力势能转化而来的激波波阵面后的温度上升到 1011K 以上，平均热运动能量高达 10 MeV, 超过了56Fe 平 均每个核子的结合能( 8.8MeV) 铁族元素的原子核很快地被热光子打碎:,(1 foe = 1051 ergs ),能量耗损率,瞬时爆发机制失效的原因,如果,则激波可以冲出外核心而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，初始激波能量只要尚能剩下1%以上的能量(即 1049ergs),残留的激波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发 — 瞬时爆发机制如果,特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在铁核光致裂解的过程中它不可能把星幔和大气层吹散不会导致超新星的爆发而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波也就是说，这种情形下，瞬时爆发机制失败结论:,瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小 以及它的外(铁)核心的质量是否过大? 两种探讨途径; 1)设法增加反弹激波能量 — 例如，为使核心坍缩得更为致密(释放更多的自引力能),人为地选取过小的原子核压缩模量系数 K 130 (核物理实验值 K 210-220) 2)反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低 外铁(核心)质量 — 迄今对所有合理的模型计算而言， 瞬时爆发机制是不成功的 —(铁)核心的质量太大。
III.Wilson的中微子延迟爆发机制: 他假定新生中子星在0.5秒内产生大量(1052ergs以上)的中微子流它同物质相互作用，中微子流的动量冲压导致超新星爆发,本图描述了反弹激波在停止后景象Rs 为激波所在的位置，此处物质以 ~ Vff 的速度向下降落（速度接近自由落体）物质经过激波的减速之后，以较为缓慢的速度经过加热和冷却区向新生中子星的表面运动R :中微子球半径, Rns :新生中子星的半径Re: 加热和冷却相平衡处的半径中微子延迟爆发机制中两个尚未解决的关键问题,1) 新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如此巨大的中微子流?产生如此强大的中微子流的具体物理过程是什么? (凝聚的中微子发射? 核物质向(u,d)夸克物质的转化? 均未成功) 2) 即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外的初始速度高达 104 km/s 左右，爆发总动能否达到 1049 erg?,强大中微子流如何在瞬间产生。