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超新星爆发

著：H.-Th. Janka 译：Shea

每一秒钟在宇宙的某个地方都会发生超新星爆发。即使它们的距离极为遥远，这一恒星灾变现象仍能为我们提供有关恒星形成的重要信息。其抛射出几个太阳质量的恒星碎片丰富了星际空间中重元素和放射性元素的含量。

尽管超新星非常的明亮，但是超新星爆发的能量仅仅是整个事件能量释放的冰山一角。理论预言当爆发恒星的铁核坍缩成中子星或者黑洞时，中微子带走了绝大多数的引力结合能。对超新星1987A的中微子观测证实了这一预言。通常情况下，总能量中只有1%转化成了喷出物的动能，而其中又只有很少的一部分转化成了电磁辐射。

能量是怎样从坍缩的致密核传递到被抛射的物质上去的呢？了解超新星爆发的驱动力对于预测超新星遗迹的质量、爆发的能量以及核合成的产物至关重要。因此有必要在大质量恒星的特质和超新星的观测之间建立起理论联系。但不幸的是，目前观测还无法解释在恒星坍缩核中所发生的物理过程。

未来通过对银河系中超新星的中微子和引力波观测将会为我们提供必要的数据。但是现在我们对超新星的认识都来自数值模拟和分析。尽管已经研究了30多年，而且计算模型也越来越复杂，但是仍没有取得令人满意的结果来源:https://wzwxpx.com/cshi/202501-200.html。

当高能光子把铁核团打碎成单个粒子和核子（质子和中子）时，恒星的铁核就会出现引力不稳定。这时，核子和自由质子就会俘获电子，进而使压力大幅度下降，而且产生大量的中微子。后者可以毫无阻碍的离开恒星，直到密度上升为止。在1秒钟之内，恒星内部核区就会坍缩至核密度，但是由于核子简并和核力排斥作用会阻止其进一步的坍缩。

此时，会产生一个流体动力学激波，并且通过仍在超声速下落的外部核区向外传播。一般认为这一激波并不会直接导致超新星爆发。由于铁核的光致蜕变和中微子辐射，激波会损失大量的能量，因此导致在半径100-200km处失速。

但是仅仅几分之一秒之后，情况就发生了变化。激波之后的温度会大幅度下降，以至于离开刚诞生的中子星的大量高能中微子会被后激波层中的自由核子所吸收。如果这一能量传递达到一定程度，就会释放出原来已经失速的激波，导致一次“延迟”的爆发。因为激波的最终命运取决于这些物理过程之间的强弱对比，所以需要更详尽的计算模型来确定由中微子传递给激波的能量是否足以导致超新星爆发。

威尔逊（Wilson）和梅勒（Mayle）通过使用两个假设成功模拟了这一中微子驱动的爆发，但是这两个假设还没有被普遍接受。他们假设中子星中的对流混合过程加速了中微子辐射。另外，他们认为为了得到所观测到的爆发能量，在中子星介质中会出现高密度的π介子（产生于夸克和反夸克之间的强相互作用基本粒子）。这两个假设都有利于导致超新星爆发，因为中微子所传递的能量会随着中微子数目和其本身能量的增大而增大。

但是这一模型也忽略了一些重要的物理过程，正如超新星1987A的光谱观测所显示的，爆发中放射性元素镍以出乎意料的高速运动。这一观测预示大尺度的喷流携带着物质从中子星进入爆发恒星的外部壳层。多维模拟确实显示了在新诞生的中子星与超新星激波（那儿由于中微子加热而形成了一个对流不稳定层）之间的强烈瓦解作用。而且，中子星发出的大量中微子以及上升的高温物质也帮助激波进一步的向外传播。这两个效应对于先前描述的延迟爆发机制至关重要。

最近，进行了首次三维模型的计算，这是超新星模型中的又一个里程碑。其证实了先前二维模型的结果。蘑菇状（见图）的结构开始出现，然后发展成大尺度的结构。由于子扰动，中微子驱动的后激波对流可以解释超新星爆发中核合成产物分布的各向异性。加上自转，它也可能会形成非对称的球体，以及观测到的年轻脉冲星所具有的极大反冲速度。

[说明]：超新星的三维模拟。这张透视图显示了新诞生的中子星中的对流混合过程。流体动力学不稳定性导致了蘑菇状结构的产生。不同的颜色代表了在一个恒定质子-中子比例面上不同的流体熵的值（蓝色低，红色高）。摘自文献：E. Muller, H.-T. Janka, Astron. Astrophys. 317, 140 (1997)

但是，目前还没有模拟能精确证明中微子加热机制是完全正确的。在最好的二维、三维模型中，有关中微子的物理过程仍是被大大简化的。其中的恒星会以极高的速度爆发，留下一个较小的中子星，同时抛射出大量的锶、钇和锆，但是其丰度与银河系中所观测到的并不相符。中微子主导了超新星爆发的能量，而且决定了核合成的结果。精确描述中微子的输运和相互作用将有助于解决这些问题。来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-101.html

通过整合牛顿和广义相对论流体动力学模型中的中微子输运玻尔兹曼方程，可以获得新的结果。但是在球对称（一维）模型中没有出现超新星爆发的结果。

下一步就是在二维和三维模型中加入这一对中微子更精确的处理方法，同时也要进一步改进中微子在高密度物质中互相作用的有关方程。对于高温中子星的研究也十分有价值，而且超新星爆发中磁场的作用也需要进一步的研究。只有囊括了所有这些问题，我们才有可能获得大质量恒星爆发的标准模型。

超新星爆发原理爆发的威力有多大

通俗简单的答案是：宇宙中最强能量爆发是超新星大爆发和伽马射线暴。

这是单个天体或者宇宙中任何单个的物体所能发出的能量。

这种能量除了宇宙大爆炸时所发出的能量。

实际上，超新星大爆炸和伽马射线暴既是一回事又是两回事。

说它是一回事，是因为伽马射线暴是超新星大爆发的产物。所谓的超新星大爆发有狭义和广义两种情况。这里说的是广义超新星大爆发。

狭义的超新星大爆发一般被理解为大质量恒星演化末期的爆发。理论上认为，超过太阳质量8倍的恒星，在演化末期会发生超新星大爆发。

爆发后的结果是8倍以上30倍以下太阳质量恒星，尸骸是一颗中子星；30倍以上太阳质量的恒星爆发后会留下一个黑洞。

这只是大致的理论，超新星大爆炸有着很复杂的机制，比如还涉及原恒星的金属含量大小等，因此上述质量的恒星爆发结果并不一定完全相同，有的大质量恒星甚至爆炸后尸骨无存。来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-97.html

广义的超新星大爆发就不单指大质量恒星了，黑洞相撞、中子星相撞、白矮星相撞、它们之间相撞、白矮星吸积超过钱德拉塞卡极限发生爆发、中子星吸积超过奥本海默极限发生爆发，这些现象的爆发都会发生大爆发，有些比单纯的恒星大爆发能量还要高。

如la型超新星就主要是指白矮星吸积或者相撞，超过钱德拉塞卡极限形成的爆发。

实际上，在科学界把宇宙中出现的天体爆发闪光现象广义称为超新星爆发。

超新星大爆发，有的会产生伽马射线暴，有的不会产生。一般来说较小能量的爆发就不会产生伽玛暴。

这些较小能量的爆发包括la型超新星爆发，和质量小于太阳30~40倍的恒星核坍缩爆发，也就是Ⅱ型超新星爆发。

黑洞相撞、中子星相撞、50倍太阳质量以上的恒星，发生伽马暴的概率要大很多。来源:https://www.wzwxpx.com/cshi/202501-173.html

超新星爆发的发现可以追溯到古代，记载最早发现的超新星，是中国东汉时期的185年。

据《后汉书?天文志》记载：?中平二年（185年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消?。

这颗超新星已被天文学家们命名为SN 185，并且被认为是一颗la型超新星。

过去，超新星爆发很少被人们观测到，因为古代主要依靠人们的眼睛观测，即便后来有了望远镜，也很难发现在密密麻麻繁星中突然闪烁的几下星光。

近代以来，天文学家们采用自动巡天望远镜，采取拍照记录的办法，就发现了许多超新星爆发现象，这些爆发基本都是银河系外的爆发，距离我们都很远。

这种超新星爆发每年都有许多，有的年份有几百颗，也有极少年份只有一两颗。迄今人类已经记录了上万颗超新星爆发，但超新星在一个星系里爆发的情况较少，银河系一般50年有一颗超新星爆发。

银河系最后发现的一颗超新星是在1604年10月9日，距今已经400多年了。德国天文学家开普勒对这颗超新星做了详细记载，因此被命名为?开普勒超新星?。

开普勒超新星距离地球6000光年，很亮，视星等达到-2.5等，应该是当时天上最亮的一颗恒星。

迄今发现最亮的超新星是ASASSN-15lh。

这颗超新星由中国北京大学东苏勃科研团队发现，其亮度达到银河系千亿恒星总光度的20倍，是太阳亮度的5700亿倍。

伽马射射线暴是上世纪六十年代偶尔发现的。

那时还是冷战时期，美国发射了一颗叫?帆船座?的卫星，专门用于监测前苏联和中国的核试验产生的伽马射线。核爆会产生伽马射线，通过收集伽马射线的强度和量，就能够知道核试验的当量和位置。

但这个卫星却受到了来自宇宙的随机的伽马射线增强信号，几乎每天都有，增强又减弱来源:https://wanghongming.com/cshi/202412-87.html。来源:https://www.wzwxpx.com/cshi/202501-187.html

这些射线暴并非来自地球，而且强度超过全天伽马射线总和。

后来的研究表明，这就是来自宇宙的伽马射线暴。这是出乎意料的收获，无心插柳柳成荫。

这种伽玛暴来自遥远的宇宙深处，一年多时发生数百次，每次持续时间最短只有千分之一秒，长的可达数小时。

研究认为，这种伽玛暴的发生一般是大质量恒星死亡发生超新星大爆炸，或者黑洞、中子星等相撞爆发出来的巨大射线流，这种强大的射线流一般从天体磁极发出，是天体死亡前将自己残余能量瞬间发射完毕的结果，是大质量天体的回光返照和最后一搏。来源:https://www.wanghongming.com/zhishi/202412-124.html

如1997年12月14日探测到发生在距我们120亿光年一次伽玛暴，在爆发瞬间一两秒内，亮度与除了它自己的宇宙同辉，50秒钟释放的总能量相当银河系200年辐射能量总和，比超新星爆发大几百倍。来源:https://wanghongming.com/cshi/202412-71.html

而1999年1月23日观测到的一次伽玛暴则比这个还要猛烈10倍。

这种能量爆发，可以在其周围几百千米范围内，再现宇宙大爆炸千分之一秒的高温高密状态，也就是万亿度高温，物质只有轻子出现。

因此伽马射线暴是人类观测到的最大能量爆发，无与伦比。

我们所认知的宇宙，只有宇宙奇点大爆发那一刻比这个能量大很多，除此之外还没有发现任何宇宙事件可以与伽马射线暴相提并论。

但宇宙大爆炸迄今还只是一个理论，人类无法回溯观测，而伽马暴是观测发现。来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-59.html

地球人类制造的最大能量就是氢弹爆发。

而太阳随便冒一个泡，表面一个小小耀斑就相当百亿颗巨型氢弹的能量。

ASASSN-15lh超新星大爆发相当太阳能量的5700亿倍，银河系总辐射能的20倍。

而巨大的伽马射线暴能量相当银河系数百年甚至数千年总辐射能量，比一般意义上的超新星爆发能量要大数千倍！

这种伽马射线暴几乎每天都在宇宙中发生！

科学界共识：伽马暴是宇宙生命和文明顶级杀手。

现在的科学研究有一个较为广泛的认识，就是认为宇宙文明有90%以上被伽马暴清理了。这是宇宙中文明极为稀少，迄今人类没有找到知音的主要原因，也是宇宙文明难以发展到高级别状态的原因。

地球也曾经受过多次伽玛暴袭击，有些距离遥远当量较小，因此影响并不大。

最大一次伽玛暴袭击是距今4.4亿年前，距离地球约6000光年的一对中子星相撞，迸发出来的数束伽马暴其中一束恰好扫中了地球，导致了地球大气层被击碎，海洋浮游生物被杀灭。

从而引发了地球生物灭绝的一系列连锁灾难，大气被破坏，导致了太阳辐射和气候的剧变，冰河时代来临，10%的海洋被冰封，海平面降低100米，这种灾害持续了40万年，导致了85%以上的物种灭绝，地球生物重启。

伽玛暴何时再光顾地球，还会被生命重启的机会吗？我不知道。

我只知道，伽玛暴是这个世界最厉害的杀手，伽玛暴是超新星的产物，因此它们或许就是一码事。来源:https://wanghongming.com/cshi/202501-147.html

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史上首次！红超巨星的爆炸过程终于被观测到，光度达太阳的数亿倍

宇宙是神奇的也是危险的，有着很多我们未知的事情会发生，我们没办法去预算，甚至没办法去阻止它的发生，据说超新星爆发的威力很强，那么到底有多强呢？下面就由星座知识为大家介绍下超新星爆发原理？爆发的威力有多大？超新星爆发原理恒星从中心开始冷却，它没有足够的热量平衡中心引力，结构上的失衡就使整个星体向中心坍缩，造成外部冷却而红色的层面变热，如果恒星足够大，这些层面就会发生剧烈的爆炸，产生超新星。大质量恒星爆炸时光度可突增到太阳光度的上百亿倍，相当于整个银河系的总光度。恒星爆发的结果：（1）恒星解体为一团向四周膨胀扩散的气体和尘埃的混合物，最后弥散为星际物质，结束恒星的演化史。（2）外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留下部分物质坍缩为一颗高密度天体，从而进入恒星演化的晚期和终了阶段。在一个星系中，超新星是罕见的天象，但在星系世界内，每年却都能观测到几十颗。1987年2月23日，一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗超新星，这是自1604年以来第一颗用肉眼能看到的超新星，这颗超新星被命为1987A。出现超新星爆发这样的宇宙级暴力事件概率有多大呢？虽然在每个星系中这一概率是很小的，但由于能观测到很多河外星系，所以在每年中都能观测到相当多的河外超新星事件。可是，从1604年以来，在我们银河系中还没有再次观测到超新星。这可能是因为宇宙尘埃的存在遮挡住了出现在银河系的某个角落中的超新星的光芒。超新星爆发的威力大概有多大会影响太阳系吗超新星作为恒星演化末期的一个状态，它的质量不小于8个太阳质量，最大的超新星还没有一个确定的质量上限。一般而言，质量越大的超新星，爆发的时候产生的能量也越大。因此，一般来说，如果太阳系附近发生超新星爆发的话，太阳系肯定会受到影响。如果是比较大的超新星爆发，那么足以将太阳系撕裂为碎片。而且，大质量超新星爆发后极有可能形成黑洞，从而吞噬太阳系。但是如果是小质量超新星的爆发，则太阳系也许可以避免毁灭的厄运。

现有的恒星演化理论模型认为，宇宙中的大质量恒星到了主序星阶段结束的时候都会发生超新星爆发现象，在这一刻恒星会释放出相当于太阳百亿年核聚变能量数十倍的能量，恒星中的大量物质瞬间被抛洒出来，如同在宇宙中燃放了烟花，天文学家们也早就发现过宇宙中超新星爆发的遗迹，而且观察过来自麦哲伦星云的SN1987A蓝超巨星的超新星爆发，但一直未能发现红超巨星超新星爆发的实时景象，不过在2020年的夏天，这一景象来了。

2022年1月8日，《南方都市报》等媒体称一个由美国西北大学和加州大学伯克利分校组成的天文学研究团队表示，他们曾在2020年夏天首次实时观测到一颗红超巨星发生超新星爆发后坍缩成一颗II型超新星的过程，从中直观了解到红超巨星超新星爆发的特征。

红超巨星是质量至少为太阳4倍以上的主序星在晚年阶段的状态，恒星在这个时候会膨胀得十分巨大，因为质量高于4倍太阳质量的恒星在氦核外重新引发氢聚变时，其核外放出来的能量未明显增加，但半径却增大了好多倍，就成为了红超巨星，比如猎户座上的参宿四就是一颗红超巨星，它的质量是太阳的11.6倍左右，但体积却是太阳的5亿倍左右。

来源:https://www.wanghongming.com/zhishi/202412-56.html

研究者们发现的这个爆发的红超巨星位于NGC 5731星系、距离我们约1.2亿光年，开始的时候它并没有表现出强烈的爆发迹象，只是星体看上去有些“悸动”，并且有较强的辐射显露出来，但忽然之间它就明亮了起来，研究者们认真观察了它之后130天中的星体变化，其过程非常活跃，其爆发类型被归类为II型超新星事件，这次事件也被标记为SN2020tlf。

这次天文事件被夏威夷凯克天文台的深层成像和多物体光谱仪以及近红外埃切莱特光谱仪观测到，光度达太阳的数亿倍，如同宇宙中绽放的大烟花。美国西北大学的天文学教授玛格迪说：“我们从来没有在一颗红超巨星中确认过如此剧烈的活动，真不是一般的壮观！我们看到它产生了如此明亮的辐射，然后坍塌和燃烧，直到现在。”

论文的主要作者韦恩则说："这次事件提供了对大质量恒星死亡前理解的一个突破，帮助我们直接探测到红超星的超新星前活动，之前从未在一个普通的II型超新星中观察到，这次是第一次看到了一颗红色超巨星的爆炸。“

Ⅱ型超新星又称核塌缩超新星，它是大质量恒星由内部塌缩引发剧烈爆炸的结果，只有质量是太阳9倍以上的红超巨星才会出现这样的现象，有专家认为观测这样的事件将极大地影响我们如何定义恒星演化的最后几个月，解开大质量恒星如何度过其生命最后时刻的一些谜团。

参考资料：

《南方都市报》2022年1月8日文章《科学家首次实时见证一颗大质量恒星快速坍塌，并爆炸成超新星》

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