超新星

超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，並可能持續幾周至幾個月甚至幾年才會逐漸衰減。而在此期間，一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相當。恆星透過爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質以接近十分之一光速的速度向外拋散，並向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構形成，這被稱作超新星遺蹟。超新星是星系引力波潛在的強大初級宇宙射線中很大一部分是來自於超新星。超新星比新星更有活力。超新星的英文名稱為--在拉丁語中是“新”的意思，這表示它在天球上看上去是一顆新出現的亮星；字首的--是為了將超新星和一般的新星有所區分，也表示超新星具有更高的亮度。超新星這個名詞是沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基在1931年創造的。超新星可以由兩種方式觸發：突然重新點燃核融合之能量的簡併恆星。在第一種情況下，一顆簡併的白矮星可以透過吸積從伴星累積到足夠的質量，或是吸積或是合併，提高核心的溫度，之後點燃碳融合，並觸發失控的核融合，將恆星完全摧毀。在第二種情況，大質量恆星的核心可能遭受突然的引力坍縮，釋放引力勢能，可以產生一次超新星爆炸。最近一次觀測到銀河系的超新星是1604年的開普勒超新星；回顧性的分析已經發現兩個更新的殘骸。對其它星系的觀測表明，在銀河系平均每世紀會出現三顆超新星，而且以現在的天文觀測裝置，這些銀河超新星幾乎肯定會被觀測到。超新星爆炸後所遺留的星際物質與高質量的化學元素使宇宙充滿各種不同的物質。此外，來自超新星向外膨脹的激波可以觸發新恆星的形成。觀測歷史.喜帕恰斯觀測恆星的興趣可能受到觀測一顆超新星的鼓舞。由於望遠鏡的發展，人們能觀測到超新星的區域不只在銀河系內，已擴大到其他的星系。在1885年觀察到仙女座星系的超新星仙女座S。美國天文學家魯道夫·閔可夫斯基和弗裡茨·茲威基在1941年開啟了現代的超新星分類計畫。在1960年代，天文學家發現超新星爆炸期間的最大強度可以作為天文距離的標準燭光，從而測量出天體的距離。最近，觀測到一些遙遠的超新星比預期的黯淡，這種現象支援了宇宙加速膨脹的觀點。為重建沒有書面紀錄的超新星觀測，人們開發了新技術以觀測超新星。從超新星仙后座A的爆發日期，人們偵測到來自星雲的回光事件。人們從對其溫度的測量和來自鈦-44的γ射線衰變，估計出超新星殘骸RX J0852.0-4622的年齡。在2009年，透過匹配南極冰沉積物的硝酸含量，人們瞭解了過去超新星事件發生的時間。著名的超新星.》一書，是新星的拉丁名"--"的據估計這顆超新星的絕對星等有-15.4等，距地球7500光年；它最高時的視亮度有-4等，可以與金星相比。）在貝爾法斯特發現，這是人類首次發現河外星系中的超新星，也是至今在仙女座星系中發現的唯一一顆超新星。發現.在1930年代，沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基在威爾遜山天文臺時，起初的工作相信這只是一種新型別的新星。“超新星。如此--型超新星的總體衰減率為每天0.012等，高於--型超新星的每天0.0075等。對於--型超新星而言，產生這種差別的原因是在原始恆星中的大部分氫元素外層都被拋射出了。型超新星的光度曲線中的高原區是由於其外層不透明度的變化。爆炸中產生的激波電離了外層中的氫原子，阻止了內部爆炸產生的光子透過外層逸出，從而顯著提高了外層的不透明度。當外層的氫離子冷卻後重新組合成原子，外層區域的透明度又會回升。在II型超新星光譜的諸多反常特性中，IIn型超新星有可能誕生於噴射物與恆星周圍物質的相互作用，而IIb型超新星則有可能是大質量恆星在其伴星的潮汐力作用下失去了大多數的氫元素外層。隨著IIb型超新星噴射物的膨脹，餘下的氫元素外層很快會變得透光從而能夠展露出裡面的內層結構。不對稱性.長久以來一個圍繞著超新星研究的謎團是，如何解釋爆炸後產生的剩餘緻密物質相對核心會有一個如此高的速度。不管怎樣，能夠推動物質產生如此速度的作用力應該相當可觀，因為它能夠使一個質量大於太陽的物體產生500千米/秒甚至以上的速度。現在一般認為這個速度產生於超新星爆炸時的空間不對稱性，但具體這個動量是透過何種機制傳遞的仍然不得而知。有些解釋認為，這種推動力包含了星體坍縮時的對流和中子星形成時產生的噴流。具體而言，這種核心上方產生的大尺度對流能夠造成區域性的元素丰度變化，從而在坍縮期間導致不均衡分佈的核反應，經反彈後產生爆炸。而噴流解釋則認為，中心的中子星對氣體的吸積作用會形成吸積盤，併產生高度方向性的噴流，從而將物質以很高的速度噴射出去，同時產生橫向的激波徹底摧毀星體。這些噴流可能是導致超新星爆發的重要因素。現在已經透過觀測證實了在Ia型超新星的爆發初始存在有空間上的不對稱性。這一結果可能意味著這類超新星的初始光度與觀測角度有關，不過隨著時間的推移這種爆炸會變得更為對稱。透過對初始狀態的出射光的偏振進行測量，這種不對稱性就可以被探測到。Ia型的核坍縮.由於Ib、Ic以及多種II型超新星具有類似的機制模型，它們被統稱為核坍縮超新星。而Ia型超新星與核坍縮超新星的基本區別在於在光度曲線峰值附近所釋放的輻射的能量核坍縮超新星的原始恆星都具有延伸的外層，並且這種外層達到一定透明度所需的膨脹量較小。光度曲線峰值處的光輻射所需的大部分能量都來自於加熱並噴射外層物質的激波。而與之不同的是，Ia型超新星的原始恆星是緻密的，並且要比太陽小得多。從放射性衰變中輻射的伽瑪射線會被噴射出的物質吸收，這些物質因此被加熱到白熾狀態。在核坍縮超新星中，隨著噴射出的物質逐漸膨脹並冷卻，放射性衰變最終也會成為光輻射的主要能量一顆明亮的Ia型超新星能夠釋放出0.5至1倍太陽質量的鎳-56，但核坍縮超新星所釋放的鎳-56通常只有0.1倍太陽質量左右。能量輸出.儘管我們思考的超新星事件主要是可見光發光的部分，但是電磁輻射只是爆炸產生的輕微副作用。特別是核心崩潰的超新星，發出的電磁輻射事件只是總能量的一小部分。在不同型別的超新星，能量產生的不同和平衡才是他們之間根本上的區別。在Ia型，白矮星的爆炸，大部分的能量流向重元素合成和噴發物的動能。核坍縮的超新星，絕大部分的能量經由微中子排放，在明顯地主要爆炸時，99%以上的微中子已經在坍縮開始後的幾分鐘內逃逸了。Ia型超星從核融合失控的碳氧白矮星獲得它們的能量。但還未能完全塑造能量的細節，而最終的結果是以高動能拋射出整顆恆星的原始質量。大約半個太陽質量的56Ni是從矽燃燒成。56Ni是放射性物質，半衰期為6天，會經由正電子發射輻射出γ射線蛻變成56Co。56Co本身又會以77天的半衰期經由正電子衰變成為穩定的56Fe。這兩種過程負責提供來自Ia超新星的電磁輻射。在結合噴發物質透明度的變化，它們產生急劇下降的光變曲線。核心坍縮超新星的平均是亮度比Ia型超新星低，但總能量卻高得多。這來自於核心坍縮的重力位能，最初從崩潰的原子核產生電子微中子，緊接著所有的味由過熱中子星的核心釋出。大約只要1%的這些微中子，就有足夠的能量可以造成恆星外層的超新星爆炸，但當前的模型還不足以提供細節。動能和鎳的量要比Ia超新星低一些，因此視亮度比較低，但來自數倍於太陽質量氫的電離能量可以貢獻下降得更緩慢，並使核心坍縮超新星的光度在高原階段。在一些核心坍縮的超新星，會回退到黑洞驅動著相對論性噴流，這能會產生短暫、高能且定向的伽瑪射線暴，也將能量進一步的傳輸給實質物質噴流。這是產生高光度超新星的一個方案，被認為是極超新星和持續時間較長的伽瑪射線爆發的成因。如相對論性噴流過於短暫，不能穿透恆星外的包層，然後就可能產生低光度的伽瑪射線爆發，這顆超新星就可能是低亮度的。當一顆超新星發生在低密度的星周雲內時，它可能會產生激波，可以有效地將大量的動能轉換成電磁輻射。雖然最初的爆炸能量是完全正常產生的超新星，也會有高亮度和延長的持續時間，這是因為他不依賴指數型的放射性衰變。這種型別的事件可能造成IIn型超新星。雖然不穩定對超星是核心坍縮超新星，光譜和光變曲線類似IIp超新星，追隨著核心坍縮之後自然的爆炸更像是碳氧和矽核融合失控的巨型Ia型超新星。質量最高事件的總能量釋放，媲美於其它核心坍縮超新星，但微中子的產生被認為很低，因此動能和電磁輻射能量是非常高。這些恆星的核心遠比任何的白矮星巨大，放射性鎳的數量和拋出的其它種元素也會更多，因此視覺光度會高出好幾個數量極。前身.超新星的型別與爆炸前的恆星分類是緊密相連的。每種型別超新星的發生戲劇性的決定於其金屬量，也就是宿主星系的年齡。Ia型超新星是由聯星系統中的白矮星形成的，發生在所有型態的星系。核心坍縮的超新星僅見於當前或最近形成的星系，因為它們都是生命短暫的大質量恆星造成的。它們最常在Sc型的螺旋星系內被發現，但也會出現在其它螺旋星系的螺旋臂和不規則星系，特別是星暴星系。Ib/c型、II-L型和可能多數的IIn超新星，被認為只出現在金屬量與太陽相似ˇ準的恆星，而這些是大質量恆星損失大量質的結果，因此它們很少出現在老年或距離較遙遠的星系。下表顯示預期的主要是坍縮超新星的主要型別的前身恆星，和每種在地社群中的近似比例。在調和模型和觀測恆星演化至核心坍縮的超新星有許多的困難。紅超巨星被認為是絕大多數核心坍縮超新星的前身恆星，但是被觀測到的只有相對較低質量和光度的，分別低於18 M☉和100,000 L☉。多數II型超新星的前身未能檢測到，並且多數被認為是太黯淡和質量不夠大。現在又提出高質量的紅超巨星不會發生超新星爆炸，但是會進化回到較高的溫度。有幾顆II型超新星的前身已經被確認，而這些是K型和G型的超巨星，還有一顆是A型的超巨星。黃超巨星或LBVs被建議是IIb超新星的前身恆星，並且幾乎所有附近觀測到的IIb超新星都表明這就是前身恆星。直到數十年前，熱超巨星被認為不會爆炸，但顯示況並非如此。藍超巨星出乎意料高比例被確認是超新星的前身，而部分原因是因為它們的亮度高，易於被檢出，而單一的沃夫–瑞葉星一直沒有被清楚地確定是超新星的前身。模型很難顯示藍超巨星如何失去足夠的質量來進化到超新星不同的階段。一項路徑研究顯示低亮度的後紅超巨星可能會成為高光度藍變星，而最有可能成為IIn型超新星。預期的Ib型超新星的前身恆星是亮Wc星，但從未觀察到；相反的發現是低光度的WC星，顯而易見的是後紅超巨星。WO星在視覺上相對微弱是極為罕見的，所以很難說不是前身恆星，或只是還未被觀測到。儘管對許多超新星的觀測仍顯得不足，但附近許多非常亮的前身恆星都曾有過清楚的影像。有幾個熱且亮的IIn型超新星前身恆星已經被檢測到的例子：SN 2005gy和SN 2010jl都是高亮度，但距離很遠的恆星；SN 2009ip的前身是像高光度藍變星的高亮度恆星，但它是確切性質仍有爭議的奇特超新星。其它的衝擊.重元素的星際物質中，從氧到銣等元素的主要超新星，然而理論上的元素豐度，在光譜的觀測中會因為不同型別的超新星而有很大的差異。Ia型超新星主要產生矽和鐵峰元素，像鎳和鐵這種元素。核心坍塌超新星噴發的鐵峰元素要比Ia型超新星少得多，但因氦核作用生成的輕元素如氧、氖等，和比鋅重的元素則有較大的量。後者在電子捕獲超新星方面尤其顯著。從II型超新星噴搋來的物質大部分是氫和氦。重元素的生成：核融合可以形成34S的原子核；在矽光分解和準靜態平衡的矽燃燒的過程中可以生成36Ar和56Ni之間的原子核；在超新星崩潰期間，經由快速捕獲中子生成比鐵重的元素R-過程產生富含中子但極度不穩定的原子核，會迅速的經由β衰變形成更穩定的形式。在超新星中，R-過程反應產生的同位素佔鐵元素以外元素所有同位素的一半，然而中子星合併可能才是許多此類元素的主要天體物理在現代宇宙中，老的漸近巨星支星是來自S-過程的元素、氧化物和碳等塵埃的主要不過，在早期的宇宙中，尚未生成漸近距星支星之前，超新星可能是塵埃的主要星演化中的作用.許多超新星的殘骸是由緻密的天體和快速膨脹的激波物質組成。這種物質雲自由膨脹的階段可以持續長達兩個世紀，並席捲了周圍的星際物質。然後，這種波經由絕熱膨脹逐漸冷卻，在大約10,000年的時間裡，它會慢慢冷卻並與周圍的星際物質混合。大爆炸產生氫、氦和微量但可檢測出的鋰，而所有更重的元素都是在恆星和超新星中合成。超新星往往用氫和氦以外的元素豐富周圍的星際物質。天文學家將比更重的元素都稱為金屬。這些注入星際物質的元素最終豐富了分子雲，而這而是恆星形成的場所。因此，每一代的恆星組成都略有不同，從幾乎純氫和氦的混合到富含更多金屬的成分。這些元素都是在核融合期間在恆星中形成的，超新星是分配這些較重元素的主要機制。構成恆星的元素中，不同元素的豐度對恆星生命有重要的影響，並可能決定性的影響圍繞恆星運轉的行星形成的可能性。膨脹的超新星殘骸的動能可以經由壓縮附近太空中密集的分子雲來觸發恆星的形成。如果分子雲不能移除多餘的能量，湍流的壓力也會阻止恆星的形成。來自短壽的放射性同位素次代元素的證據顯示，測定一顆鄰近超新星爆炸的成分，說明瞭太陽系的組成，也可能在45億年前觸發了太陽系的形成。宇宙射線.超新星殘骸被認為佔有銀河系原生宇宙射線很大的一部分，但只在少數的殘骸中發現產生宇宙射線的直接證據。從超新星殘骸IC 443和W44中檢測到來自π介子衰變產生的γ射線。這些是超新星殘骸中被加速的質子撞擊星際物質時產生的。引力波.超新星是星系中潛在的強引力波但到目前為止還沒有檢測到。迄今探測到的引力波事件是黑洞和中子星的合併，而這些天體可能是超新星的殘餘物。對地球的影響.鄰近地球的超新星是距離地球夠近，對地球生物圈有顯著影響的超新星。根據超新星的型別和能量，它的距離可以遠至3,000光年。在1996，有理論指出探測地球巖層中金屬同位素特徵的形式，有可能找到過去的超新星痕跡。後來，有報告在太平洋深海的岩石中檢測到富集的鐵-60 。2009年，在對應於1060年代的南極冰層中發現硝酸鹽離子含量升高，這與1006年和1054年的超新星吻合。來自這些超新星的γ射線可能提高地球大氣層中氮氧化物的水準，而這些氮氧化物被困在冰層中。如果Ia型超新星發生在離地球夠近的距離上，被認為是最危險的。由於這種超新星產生於聯星系統中黯淡的白矮星，因此在研究不夠充分的恆星系統中，很可能發生能夠影響地球，但未能預測的超新星。已知最接近的候選者是飛馬座IK才能破壞地球一半的臭氧層，但距離最近的候選者大約在500光年的距離上。銀河系中的候選者.銀河系的下一顆超新星即使發生在銀河系的遠端，也很可能被檢測到。它很可能是由已經收錄在2微米全天巡天產生，但可能性比較小。下一顆超新星是由白矮星產生的Ia型超新星的機會，大約是核心坍塌超新星的三分之一。其次，無論它發生在何處，它都可以被觀測到，但是不太可能曾經觀測過它的祖恆星。如果是Ia型超新星，因為很難在幾秒差距之外檢測出這樣的系統，甚至會不知道祖系統是怎樣的組合。據估計，銀河系中超新星的生成率是每世紀2至12顆，但實際上已經好幾個世紀沒有觀測到。從統計上看，下一顆超新星最可能來自一顆不起眼的紅超巨星，但很難確定這些超巨星中，哪些是處於核心重元素融合的最後階段，也許還剩下數百萬年的歲月。質量最大的紅超巨星在核心坍塌之前，會先丟擲它們外層的氣體，演化成為沃夫–瑞葉星。所有的沃夫–瑞葉星都會在一百萬年左右的時間內結束生命，但同樣很難確定哪些是最接近核心坍塌的恆星。預計在幾千年內就會爆炸的一類是已經知道耗盡其核心氧的WO沃夫–瑞葉星。已知的這一類沃夫–瑞葉星只有8顆，而其中只有4顆在銀河系。一些眾所周知接近核心坍塌超新星的候選者是紅超巨星的心宿二和參宿四 ；黃特超巨星的螣蛇十二系統的伴星：一顆沃夫–瑞葉星。其它還有，雖然不太可能，但已經獲得名聲的還有γ射線爆後代的WR104。確定Ia型超新星的候選者更有投機性。儘管確切的機制和時間尺度都還有爭議，但任何帶有吸積白矮星的聯星系統都可能產生超新星。這些系統都是暗淡、難以識別的，但新星和復發的新星都是這樣的系統，很方便於自我宣傳。天蠍座U就是一個例子。已知最靠近地球的一顆Ia型超新星的候選者是飛馬座IK，距離是150光年，但觀測表明，白矮星需要數百萬年的時間才能吸積達到成為Ia型超新星所需要的臨界質量。