两类超新星

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1、两类 超新星,彭秋和 (南京大学天文系),两类超新星的 观测特征,历史上的超新星,4,1054年中国北宋天文学家发现金牛座客星（超新星） 宋史天文志： 宋至和元年五月己丑（1054年7月4日），客星由天关东方可数寸，岁余稍没。 宋会要： 嘉祐元年（1056年）三月，司天監言：客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出東方，守天关，书见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。,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

2、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 高能宇宙线的产生 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,1. 核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNI

3、c),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

4、,Ca) (Fe, Co),Type of Supernovae,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 F

5、e 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,Core collapse of a massive star: Type II Supernova,Collapse of an accreting White Dwarf exceeding the Chandrasekhar mass limit Type Ia Supernova.,Type I: No hydrogen lines in the spectrum Type II: Hydrogen lines in th

6、e spectrum,Type Ib: He-rich Type Ic: He-poor,Type II P,Type II L,Light curve shapes dominated by delayed energy input due to radioactive decay of 5628Ni,0,13,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%

7、) 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,

8、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 3104 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

9、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) 星系内一半以上的 Fe 来自 SN Ia,qSNII+SNIb 星系内一半以上的 Fe 来自 SN Ia,F ) 前身星,SN Ia : 双

10、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

11、 : 残留黑洞?,19,Crab Nebula - Optical and X-ray,典型的超新星遗迹,Dont care!,Nebula is still expanding, at 1450 km/s The source of the luminosity and electrons is a pulsar in the centre of the nebula.,20,天鹅圈 Cygnus Loop,脉冲星,Cas A,21,超新星1987A,1987.2.23 爆发于LMC (d = 170,000 ly, our “satellite” galaxy)，是人类自望远镜发明以来第一

12、颗凭肉眼发现的超新星。 前身星： Sanduleak -69202，B3 I型蓝超巨星M 20 M，L 105 L，T 16,000 K，R 40R,22,超新星1987A的光变曲线,Dont care!,Unusual type II Supernova,23,Progenitor (Blue supergiant) was a much smaller star than usually responsible for Type II explosions. Smaller stars are denser, so more energy was required to lift the

13、atmosphere, and this resulted in a slower brightening and fainter peak luminosity.,24,25,超新星1987A的中微子探测,在爆发前1.8-3小时，日本Kamioka和美国IMB的的探测仪测量到19个中微子,超新星爆发的大部分能量被中微子带走 中微子辐射能 51053 ergs 辐射 51058个中微子 爆发前20小时地球上每平方米有 51014个中微子穿过,This was the first time neutrinos were detected from an astronomical source o

14、ther than the Sun.,Background level,Neutrino events,provided firm upper limit on ne mass: mne 16 eV (time delay relative to photon),26,超新星1987A的遗留物：环状星云,SN 1987A in X-ray,Dont care!,The central ring is due to ejection by a stellar wind prior to the explosion,环状星云的结构,http:/heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/objects/heapow/archive/nebulae/sn1987a_acis.html,Dont care!,小结,Ia,Ib,Ic,II,两类超新星的主要特征,B. 核心坍缩型 超新星 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,Mc 1.13M,核塌缩型超新星特征： 光度L107