超新星爆炸原理 超新星爆炸可以有多恐怖?
超新星(supernova,SN)爆炸有多恐怖,看它的绝对星等。越小,光度(电磁能量释放功率)越高,典型的超新星光度曲线如下,
图片引自英语维基百科Supernova - Wikipedia 简要说一下分类,根据光谱特征,常分为type I(无氢吸收线),type II(有氢吸收线)两大类。由图知,SN Ia(有硅吸收线),峰值绝对星等超过-19等。
SN Ib(无硅吸收线,有氦吸收线)和SN Ic(无氦、硅吸收线),峰值绝对星等达-18等。绝对星等差1,光度差2.512倍。太阳的绝对星等为4.86等,如果把SN Ia放在太阳的位置,那么它最亮时候是太阳的倍,89亿个太阳!type II SN光度普遍小一等,峰值绝对星等在-16到-17等之间,相当于5亿到15亿个太阳!
理论上,没有这么多分类,根据爆发类型,仅有热核爆炸、核坍缩。
单简并模型,白矮星 恒星。白矮星吸积(通过洛希瓣流、公共包层的方式)伴星的物质,最终质量达到钱德拉塞卡极限(约1.4倍太阳质量,若考虑白矮星自转、磁场的因素,最高可达2.8倍太阳质量),于是引力超过电子简并压,引起星体坍缩。
坍缩过程,一半的引力能释放,一半的转化为热能,导致星体温度急速升高。当某区域温度达到碳、氧聚变温度(约8亿K),点火(指聚变反应),引发失控的热核反应。原因是正反馈:简并核的传热性非常好,局部热量可迅速传导整个星体,所以星体是等温的。
聚变反应敏感地依赖温度(幂率),温度升高,反应率幂率地增大,导致温度进一步升高。接着,极高的温度带来极高的热压力,产生超声速传播燃烧的火焰(flame),所到之处简并解除(其实,过程非常复杂,如点火位置),短时间内聚变释放的能量超过了引力束缚能,后果就是星体急速膨胀,最终形成行星状星云,没有遗留物。
双简并模型,白矮星 白矮星。具体可以是CO白矮星 He白矮星,CO白矮星 CO白矮星等诸多可能(依赖初始质量、吸积率、星风等)。
白矮星因引力辐射带走轨道角动量最终并合爆炸;或者距离过近,质量大的吸积质量小的,并合前质量大的白矮星达到钱德拉塞卡极限而爆炸。
在热核爆炸模型,超新星释放能量仅取决于前身星的质量。可想而知,双简并模型能量肯定高于单简并模型。事实上,人们观测到某些SN Ia光度不止-19等,竟然达到-21等!可能是双简并模型的证据。
2. 核坍缩(core collapse,CCSN),是大质量恒星演化晚期的爆炸。人们一共提出四种类型,铁核坍缩,电子俘获,配对不稳定,光致解离。
铁核坍缩,早期的超新星模型。大质量恒星核合成至铁元素,形成洋葱结构。中心是铁核,再外依次是硅壳层、镁壳层、氧壳层、碳壳层、氦壳层、氢壳层、氢包层。这个模型认为,SN Ib是无氢壳层、氢包层的大质量恒星爆发,SN Ic是无氦壳层的大质量恒星爆发。
硅壳层持续燃烧,导致铁核质量持续增大(硅聚变并不是合成铁,但需要硅才能合成铁,铁是中子链合成的),形成简并铁核。爆发则是铁核质量超过钱德拉塞卡极限,铁核坍缩,引力能释放,铁原子核解离成氦,氦俘获电子,开启中子化过程,释放大量的中微子,带走了约99%的引力能,核心形成半径约10km的前身中子星,这些过程的时间只有几秒!
外层来不及反应。核心形成铁核,光度下降,外层热压力减小,引发外层坍缩。
当坍缩的外层物质下降遇到前身中子星时,发生什么?人们普遍认为,产生反弹的超音速激波!激波向外冲击,带走了外层物质(直接爆发机制),解释了光度曲线急剧上升。然而问题没这么简单,80-90年代,数值模拟发现激波最终停下来了,炸不开外层物质。
大牛们开玩笑,中微子没准可以复活激波啊。额,随后考虑中微子流与激波层作用,没想到真可以讲很小部分的能量传给激波,激波复活了(延时爆发机制)。
电子俘获,发生在O-Mg核大质量恒星(8-11倍太阳质量),只是将铁核替换为氧镁核。简并核的氧、鎂原子核在致密的情况下(密度约 )俘获电子,使电子简并压迅速减小,于是核心坍缩。
以上是一类爆发机制,简并核心,不论白矮星(可视为裸露的简并的恒星核心),还是铁核、氧镁核。另一类爆发机制,并不是简并核心。而是由于某些原因,核心的热压力下降,发生引力坍缩。
内部机制讲完了,开始答题。SN的光度已经给你直观的印象,但不够。题主问有多恐怖,我理解为外面的我们能看到什么现象。能看到好多:
补充。可能题主没有从我的描述感到恐怖,如果在太阳处放一颗CCSN(注意,太阳是小质量恒星,结局是CO白矮星,不是超新星),那么,
