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超新星

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开普勒超新星(SN 1604)爆发后的残骸
开普勒超新星(SN 1604)爆发后的残骸
超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。爆发中会释放出大量等离子体,并且持续数周至数年时间,天空中好像突然出现了一颗新的恒星。超新星不同于新星,虽然新星爆发都会令一颗星的光度突然增加,但是程度比较小。超新星爆炸会把恒星的外层抛开,令周围的空间充满了及其他元素,这些尘埃和气体最终会组成星际云。爆炸所产生的冲击波也会压缩附近的星际云,引致恒星的产生。

爆炸的冲击波会冲击四周,留下一个超新星遗迹。蟹状星云就是一个着名的例子。

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超新星的分类与产生过程编辑本段回目录

天文学家把超新星按它们光谱上的不同元素的吸收线来分成数个类型:

超新星I型:没有氢吸收线
Ia型:没有氢、氦吸收线,有硅吸收线
Ib型:没有氢吸收线,有氦吸收线
Ic型:没有氢、氦、硅吸收线
II型:有氢吸收线

  类型                                      特   征
                                           
                                             I型超新星
Ia超新星 缺乏氢和,光谱的峰值中以游离矽的615.0奈米波长的光最为明显。
Ib超新星 未游离的氦原子(He I)的587.6奈米,和没有强烈的矽615奈米吸收谱线。
Ic超新星 没有或微弱的氦线,和没有强烈的矽615奈米吸收谱线。 

                                              II型超新星
II-P超新星 在光度曲线上有一个"高原区"。
II-L超新星 光度曲线(星等对时间的改变,或光度对时间呈指数变化)呈"线性"的衰减。 
      
如果一颗超新星的光谱不包含氢的吸收线,那它就会被归入I型,不然就是II型。一个类型可根据其他元素的吸收线再细分。天文家认为这些观测差别代表这些超新星不同的来源。他们对II型的来源理论满肯定,但是虽然天文有一些意见解释I型超新星发生的方法,这些意见比较不肯定。

Ia型的超新星没有氦,但有。它们都是源于到达或接近钱德拉塞卡极限的白矮星的爆发。一个可能性是那白矮星是处于一个密近双星系统中,它不断地从它的巨型伴星吸收物质,直至它的质量到达钱德拉塞卡极限。那时候电子简并压力再不足以抵销星体本身的引力,结果是白矮星会塌缩成中子星黑洞,塌缩的过程可以把剩下的碳原子氧原子融合。而最后核融合反应所产生冲击波就把那星体炸成粉碎。这与新星产生的机制很相似,只是该白矮星未达钱德拉塞卡极限,不会塌缩,能量是来自积聚在其表面上的氢或氦的融合反应。

超新星亮度的突然增加是由爆发中释放的能量所提供的,爆发以后亮度不会即时消失,而是会在一段长时间中慢慢地下降,那是因为放射性钴衰变成铁而放出能量。

Ib超新星有氦的吸收线,而Ic超新星则没有氦和矽的吸收线,天文学家对它们产生的机制还是不太清楚。一般相信这些星都是正在结束它们的生命(如II型),但它们可能在之前(巨星阶段)已经失去了氢(Ic则连氦也失去了),所以它们的光谱中没有氢的吸收线。Ib超新星可能是沃尔夫-拉叶型恒星塌缩的结果。

如果一颡恒星的质量很大,它本身的引力就可以把矽融合成铁。因为铁原子的结合能已经是所有元素中最高的,把铁融合是不会释放能量,相反的能量反而会被消耗。当铁核心的质量到达钱德拉塞卡极限,它就会即时衰变成中子并塌缩,释放出大量携带着能量的中微子。中微子将爆发的一部份能量传到恒星的外层。当铁核心塌缩时候所产生的冲击波在数个小时后抵达恒星的表面时,亮度就会增加,这就是II型超新星爆发。而视乎核心的质量,它会成为中子星或黑洞。

II型超新星也有一些小变型如II-P型和II-L型,但这些只是描述了光度曲线图的不同(II-P的曲线图有暂时性的平坦地区,II-L则无),爆发的基本原理没有太大差别。

还有一类被称为“超超新星”的理论爆发现象。超超新星指一些质量极大恒星的核心直接塌缩成黑洞并产生了两股能量极大、近光速的喷流,发出强烈的伽傌射线。这有可能是导致伽玛射线暴的原因。

I型超新星一般都比II型超新星亮。

超新星的命名编辑本段回目录

国际天文联合会收到发现超新星的报告后,他们都会为它命名。名字是由发现的年份和一至两个拉丁字母所组成。一年里第一颗被发现的超新星就是A,第二就是B,如此类推,第二十六以后的则是aa、ab、ac等等。如超新星1987A就是在1987年发现的第一颗超新星。

着名的超新星编辑本段回目录

超新星185年12月07日,东汉中平二年乙丑,中国天文学家观测到超新星185,这是人类历史上发现的第一颗超新星。该超新星在夜空中照耀了八个月。《后汉书·天文志》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。”。

1006年——SN 1006,位于豺狼座,可能是有史以来人们记录到的最明亮的超新星,据推断其亮度达到了-9等。

1054年——产生蟹状星云的那一次超新星爆发,这次“客星”的出现被中国宋朝的天文学家详细记录,日本美洲土著也有观测的记录。

1572年——仙后座的超新星(第谷超新星),丹麦天文学家第谷有观测的记录,并因此出版了《De Nova Stella》一书,是新星的拉丁名nova的来源。

1604年——蛇夫座的超新星(开普勒超新星),德国天文学家开普勒有观测的记录,这是银河系里最后一颗被发现的超新星。它曾被伽利略用作反驳当时亚里士多德学派所谓上天永远不变的理论。

1987年——超新星1987A在开始的数小时内就被发现,这是现代超新星理论第一次可以与实际观测比较的机会。

超新星在恒星演化过程中的角色编辑本段回目录

超新星爆发会令它周围的星际物质充满了金属(对于天文学家来说,金属就是比氦重的所有元素)。所以每一代的恒星(及行星系)的组成成分都有所不同。

观测及其意义编辑本段回目录

超新星Spitzer太空望远镜红外照片
Spitzer太空望远镜红外照片
 除了在可见光区观测到的超新星遗迹外,通过专门用来观测来自太空的X射线人造卫星“爱因斯坦天文台”,人类发现了不少天上的X射线源,其中有30个以上是X射线超新星遗迹。1572年出现的隆庆彗星即第古新星,就留下了X射线遗迹。超新星冲击波使得星际介质温度高达几百万开并辐射出强烈的X射线。这是一颗典型的Ⅰ型超新星。

使用射电望远镜可以发现仅由最稀薄气体构成的超新星遗迹。比如,是射电天文学家最先发现了仙后座A这一超新星遗迹,后来在光学波段也发现了它的极暗弱的对应体。

超新星爆发和宇宙线的产生也有一定的关系。星际介质中的粒子运动速度一般都在每秒几十千米范围内,但是也有某些特殊情况——有的粒子运动速度可以接近光速,这就是宇宙线。宇宙线是由一些物质粒子如电子质子等组成的,在本质上完全不同于电磁波。一般说来,由于地球大气对宇宙线的吸收作用,有探测宇宙线必须到大气层之外。如果搭乘气球上升到50千米的高空,就可以用底片拍摄宇宙线的踪迹。只有极少数能量极高的宇宙线可以到达地球表面。但是,当高能宇宙线与地球大气发生作用时,会引发一种闪光效应,同时产生二级宇宙线,在地球表面探测二级宇宙线是相对容易的。

实验表明,一些能量较低的宇宙线受到太阳活动的影响。比如,太阳活动有一个11年左右的周期,而观测到的低能宇宙线也随着这个周期而有所变化。另外,当太阳活动增强时,会使得地球周围的磁场增强,从而使在地球上观测到的宇宙线活动减弱。相反地,宇宙线流量的最大值往往出现在太阳耀斑等活动最小的时刻。观测也表明,绝大部分宇宙线是来自遥远的宇宙深处的超新星爆发。

因为宇宙线常常会因为星际磁场的作用而改变运动方向,我们很难判断它的辐射源在哪里。但宇宙线在与星际介质发生作用时,会辐射出г射线;而г射线是电磁波,运动方向不再受磁场的影响。美国宇航局曾发射了专门观测宇宙г射线的人造卫星。观测结果表明,宇宙г射线的分布与发现的超新星的分布有很好的相关性。这就在很大程度上支持了宇宙线来自超新星爆发的观点。

 超新星事件和新星事件还有一个本质性的区别,即新星的爆发只发生在恒星的表面,而超新星爆发发生在恒星的深层,因此超新星博爱法的规模要大的多。超新星爆发时散落到空间的物质,对新的星际介质乃至新的恒星的形成有着重要的贡献,但这些物质来自死亡恒星的外壳。

超新星的研究用途编辑本段回目录

超新星合成的图像
合成的图像
超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿,可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制,例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。

超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。 红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素(重于碳但轻于铁)。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的,它们以很高的速度被抛向星际空间。此外,超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中,超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关。
      
由于非常亮,超新星也被用来确定距离。将距离同超新星母星系的膨胀速度结合起来就可以确定哈勃常数以及宇宙的年龄。

地球上的超新星残骸编辑本段回目录

超新星喷射出奇异的元素©NASA
超新星喷射出奇异的元素©NASA
大约280万年前的一次恒星爆炸将尘埃散落到地球上,这可能触发了一次气候变迁并影响了人类进化历程。这一新结论的证据来自一种特殊形式的铁,它被超新星播洒在宇宙中,最后沉降在太平洋底的岩石里。

德国慕尼黑大学物理学家Gunther Korschinek领导的研究小组,于1999年在地球上首次发现了超新星物质的沉积。但从当时提取的样本中无法准确判断超新星爆发的时间,因为超新星物质散布在几层不同的岩石里。

该小组最近分析了另一块海底岩石,发现其中的超新星物质集中在一个很清楚的岩层里,可以准确推定其日期。研究人员在岩石里发现了一些铁60同位素,该同位素只能在超新星里形成。

Korschinek说:“我们分析了各种可能,找不到任何其它过程可以产生这样数量的(铁60)。”小组在新一期的《物理评论通讯》上报告了其成果。

伊利诺伊大学的天体物理学家Brian Fields说,这项成果是一个里程碑,标志着一个全新研究领域的诞生,即“超新星考古学”。

彗星和陨星也会给地球带来宇宙物质,但它们通常来自太阳系内部。超新星是我们所知唯一的太阳系外物质来源。

超新星喷发出的铁60到达地球后,平均分布于各个地方,但仅能在历经数百万年未被干扰过的地壳岩石中被检测到,比如太平洋底的某些区域。

科学家分析的这些特殊岩石于1980年取自夏威夷群岛东南几百公里处的海底,采集它们的海洋学家当时是希望从中寻找稀有矿物。

Korschinek估计,这次超新星爆发的时间为280万年前(前后误差30万年),距离地球100至200光年。如果爆发离地球太近,辐射将足以造成地球上的物种大灭绝。而如果太远,就不会有这么多铁60到达地球,它们大部分会在中途损失。

据估计,这颗超新星与地球的距离“适中”,释放的宇宙射线能增加地球上空的云量。Korschinek计算说,在至少10万年的时间里,到达地球的宇宙线增加了15%,这不会直接杀死生物,但足以改变地球气候。

云量增加使地面更凉爽,从而将更多的水以冰的形式束缚在极地,导致非洲更加干旱。岩芯的气候记录与这次超新星事件在时间上吻合。

Korschinek说:“有的人相信,非洲的这种气候变化,是人类进化的一个动力。”干燥的气候迫使人类向湿润地区迁徙。

研究小组正在样本里寻找其它异常同位素,这可能会透露那次超新星爆发的更多信息,比如它是什么类型的超新星。但这些物质的含量可能只是铁60的1/10000,寻找它们将是极其困难的。

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