超新星

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（依據普林尼）。人類最早的觀測超新星紀錄是中國天文學家於公元185年看見的SN 185，有記載的最亮超新星是SN 1006。對此，中國和伊斯蘭天文學家都有詳細的記述。人們觀測次數最多的超新星是SN 1054，它形成了蟹狀星雲。超新星SN 1572和SN 1604是目前為止以裸眼觀測到的最後兩顆銀河系內的超新星，這些超新星的發現對歐洲天文學的發展有顯著的影響，因為這些發現被用來反駁在月球和行星之外是不變的亞里斯多德宇宙觀點。約翰·克卜勒在超新星SN 1604達到亮度峰值的1604年10月17日觀測到它，並且在此期間一直估計它的亮度，直到第二年亮度暗淡到裸眼看不見才停止。它是那個時代人們所觀測到的第二顆超新星（繼第谷·布拉赫的仙后座SN 1572之後）。
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，這種現象支持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，人們了解了過去超新星事件發生的時間。

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台時，起初的工作相信這只是一種新類型的新星。「超新星（super-novae）」這個名詞在1931年巴德和茲威基在加州理工學院的一場演講中首度被使用，然後在1933年在美國物理學會的會議中被大眾使用。1938年，連字號被取消，成為現代出現和使用的形式。因為超新星是一種在星系中相對罕見的事件，在銀河系大約每世紀只發生三次，要獲得好的研究樣本，就需要定期監視許多星系。
在星系中的超新星，沒有任何有意義，可以預測的準確性。通常情況下，它們被發現時，都是在已經出現後了。科學上對超新星最感興趣的是距離測量——例如，做為標準燭光——需要觀察其峰值亮度。因此，至關重要的是及早發現它們，最好能在達到最大亮度之前。業餘天文學家的人數遠遠的多於專業天文學家，在尋找超新星上發揮了很大的作用。通常，通過光學望遠鏡觀測一些鄰近的星系，比較早些時候的照片來發現。
在20世紀結束的時候，越來越多的天文學家改用電腦控制的望遠鏡和CCD獵取超新星。業餘天文愛好者也喜歡這種裝置，也有專業的設置，例如卡茨曼自動成像望遠鏡。最近，超新星早期預警系統專案（SNEWS，Supernova Early Warning System）已經開始使用網路的微中子探測器來對超新星提出早期預警。微中子是一種微粒，在超新星爆炸時會大量產生，並且它們不會被星系盤的星際氣體和塵埃明顯的吸收。
超新星的搜索分為兩類：那些聚焦於相對較近的事件，和那些尋找較遠的爆炸。因為在膨脹的宇宙可以通過測量其都卜勒頻移估計在遠方已知發射頻譜的距離（或紅移）；越遙遠的天體有越大的退移速度，所以比附近的天體有較高的紅移。因此，搜尋分為高紅移和低紅移，其間的分界約為紅移 z = 0.1–0.3的範圍，在此，z 對於頻率的移動是無單位量。
高紅移超新星的搜尋，通常涉及超星光變曲線的觀察。這些都是用標準或校準燭光的哈伯圖並使用宇宙論的預測。超新星的光譜，用在研究超新星的物理和環境時，在低紅移的會比高紅移的更為實用。低紅移的觀測也依靠哈伯曲線的低距離結束端，這是用來描述距離相對於可見星系紅移的曲線。（參見哈伯定律）

命名常規

當發現超新星的報告送交給國際天文學聯合會的天文電報中心之後，它就會分配這顆超新星的名字，並且發出通告。名字是由前綴字SN接續發現的年份和一或二個英文字母組成。每年最初的26顆依序使用從A到Z的字母，之後始用小寫的字母：aa、ab，依序排列。例如，SN 2003C，是2003年發現的第三顆超新星。2005年發現的最後一顆超新星SN 2005nc，是2005年的第367顆。從2000年開始，專業和業餘天文學家每年都發現數百顆超新星（2005年367顆、2006年551顆、2007年572顆、2008年261顆、2009年390顆、2013年231顆）。
歷史上已知的超新星只簡單的依照發現的年份命名，它們有：SN 185、SN 1006、SN 1054（天關客星）、SN 1572（第谷新星）、和SN 1604（克卜勒之星）。從1885年開始採用字母命名，即使那一在只發現一顆超新星（如SN 1885A、SN 1907A等等） －最後一次是1947年的SN 1947A。， SN，是超新星的標準前綴字。直到1987年，兩個字母的代號都是備而不用，但從1988年開始，每年都需要用到雙字母。

I型超新星

I型超新星依據譜線為基礎再細分，典型的Ia型超新星有強烈的矽離子吸收線。這條譜線不明顯或不強烈的I型超新星被歸類為Ib或Ic型超新星，Ib型超新星顯示出強烈的中性氦譜線，Ic型超新星則缺乏這種譜線。所有I型超新星的光度曲線都與Ia型超新星相似，在峰值都會比較明亮，所以光度曲線不是I型超新星分類的主要依據。
少數的Ia型超新星顯現出不尋常的特徵，如非標準的光度或寬廣的光度曲線，但檢視它們在最早期的樣本中都會顯示出與分類典型相似的特徵。例如，低光度的SN 2008ha通常分類為類SN 2002cx或是Ia-2002cx。

II型超新星

II型超新星也可以依據光譜來細分。大部分的II型超新星都顯現非常寬的發射線，這表示它是以每秒數千公里（Km/Sec.）的速度在膨脹。有些，像是SN 2005gl，有著相對狹窄的譜線，它們被分類為IIn型超新星，其中的'n'代表'狹窄'。
少數的超新星，像是SN 1987K和SN 1993J，顯示出類型的改變：初期，它們顯示出氫的譜線，但是經過幾週或幾個月的衰減期之後，光譜中主要是氦的譜線。IIb型超新星的功能就是用來描述II型超新星和Ib相關聯的組合。
II型超新星在光度下降的過程中，依然廣泛的呈現由氫主導的光譜，因此分類主要是依據其光度曲線。最常見的類型是在最大亮度之後不久，光度的下降曲線中會出現"高原區"，視星等會維持幾個月的穩定不變，然後才繼續下降。這一形稱為II-P型超新星，P代表高原。較罕見的缺乏高原區特徵的II-L型超新星，"L"代表是線性的，因為光度曲線實際上是一條直線。
並不是所有的超新星都能正常的分類，不能吻合上述特徵的分類為特異型超新星，或標示為'pec'。

當前的模型

前述天文學家給予超新星的分類代碼是很自然的分類：從超新星觀測到的光給予類型的數值，不一定是它的起因。例如，Ia超新星的祖恆星是蛻化的白矮星，因融合失控點火產生的；光譜類型相似的Ib/c超新星的祖恆星是大質量的沃夫–瑞葉星由核心坍縮點燃。下面總結了天文學家目前認為是對超新星最合理的解釋。

熱失控

白矮星可能從伴侶恆星吸積到足夠的質量，使核心的溫度提高至足夠點燃碳融合，此時它會發生失控完全破壞了它。這種爆炸在理論上有三種途徑可以發生：從伴星穩定的吸積質量，兩顆白矮星的碰撞，或是在吸積的殼層點火，然後引燃。但是仍不清楚其中何者是主要的機制。儘管還不能確定Ia超新星是如何的產生，但Ia超新星有非常均勻的屬性，是星系間距離有用的標準燭光。但對性質上漸進的變化或高紅移在不同頻率的異常光度，光度曲線和光譜是別上的微小變化，一些校準上的補償是需要的。

正常的Ia超新星

有幾種方式可以形成這種類型的超新星，但它們共用一個基礎的機制。如果一顆碳-氧白矮星吸積到足夠的質量，達到錢德拉塞卡極限的大約1.44 太陽質量（M☉）（對不自轉的恆星），它將不再能以電子簡併壓力支撐其巨大的電漿體，並且開始坍縮。然而，目前的看法是通常尚未達到這個極限，已經獲得足夠高的溫度和密度，可以在核心引燃碳融合。通常在接近極限之前（大約接近至1%），就已經坍縮了。
在幾秒鐘內，白矮星相當大一部份的物質會發生核融合，釋放出足夠的能量（1–2×10⁴⁴ J），解除恆星的束縛，發生超新星爆炸。產生向外膨脹的激波與物質達到5,000-20,000km/s，或大約3%光速的速度。同時亮度也大幅的增加，絕對星等可以達到 -19.3等（或比太陽亮5億倍），而且只有少量的變異。
形成這類超新星的是密接的聯星。兩顆星中較大的一顆先演化離開主序帶，並膨脹成為一顆紅巨星。這兩顆恆星現在共享一個包層，造成它們相互間的軌道縮小。較大的這顆恆星然後傾卸掉它大部分的包層，失去質量直到它的核心不能再繼續進行核融合。在這個點上，它成為一顆主要由碳和氧構成的白矮星。最後，它的伴星也演化離開主序帶成為紅巨星。來自巨星的物質被白矮星吸積，導致白矮星的質量持續的增加。儘管基本的模型被普遍接受，但精確的萌生和爆炸產生重元素細節還不清楚。
Ia新星遵循著一個特徵的光度曲線 －亮度作為時間函數的關係圖－ 爆炸後，這個亮度因為從鎳-56 經過鈷-56到鐵-56的放射性衰變而產生變化。正常Ia超新星光度曲線的峰值是非常一致的，最大值是絕對星等 -19.3等。這使它能夠成為次要的標準燭光，可以用來測量其宿主星系的距離。

非標準的Ia超新星

另一種Ia超星的爆炸涉及兩顆白矮星的合併，加起來的質量可能超過錢德拉塞卡極限。這一類型的爆炸還有許多的變化，並且在許多情況下可能沒有超新星，但預期它們的光度曲線會比正常的Ia超新星爆炸寬闊與較低的光度。
當白矮星的質量超過錢德拉塞卡極限，將會有光度異常的Ia超新星，而由不對稱性可能會有進一步增強的類型，但噴射物質的動能會少於正常的動能。
非標準的Ia超星沒有正式的子分類。曾經建議將氦吸積在白矮星上，光度較黯淡的超星分類為Iax，而這種類型的超新星可能不會將祖白矮星完全摧毀，而能留下一顆殭屍恆星。
一種特殊的非標準型Ia超新星發展出氫和其他的，發射的譜線給出了外觀正常的Ia和IIn超新星之間的混合物，例如SN 2002ic和SN 2005gj。這種超新星曾經被標記為Ia/IIn、Ian、IIa、IIan。

II型超新星

初始質量小於8倍太陽質量的恆星從來沒有發展至核心大到足以坍塌，它們最終都是失去大氣層成為白矮星。恆星質量至少是9 M☉（可能需要多達 12 M☉）以複雜的方式演化，在它的核心發展出較高的溫度，逐步燃燒更重的元素。這顆恆星成為像洋蔥一樣的層狀結構，在越外面的殼層燃燒越輕的元素。雖然不片描述洋蔥似的結構有鐵芯，但超新星前身的大質量恆星僅有氧-氖（-鎂）的內核。這些超AGB恆星可能是主要的核心坍塌超新星，但質量越大的祖恆星，發出的光越黯淡，被觀測到的也就越少。
當在核心坍塌階段的超新星仍有氫的包層時，其結果是出現II型超新星。明亮恆星的質量損失取決於金屬量和亮度。金屬量接近太陽，特別亮的恆星在演化到核心坍塌之前已經失去它們所有的氫，就不會形成II型超新星。所有低金屬量的恆星，在開始核心坍塌之前仍都有氫的包層，但質量夠大的恆星會直接坍縮成為黑洞，而不會產生可以看見的超新星。
初始質量的上限大約在90倍太陽質量，或是金屬量只高一些，預期會產生II-p超新星，這是最常見的超新星類型。在中與高金屬量，且質量接近上限的恆星在發核心坍塌時將已經去大部分的氫，其結果是II-L超新星。金屬量非常低，恆星質量在140–250 M☉在核心坍塌時將達到不穩定對，但仍然有氫的包層和氧的核心，其結果將是II型超新星，但會噴出大量的鎳₅₆，成為高亮度的超新星。

Ib和Ic型

這兩類超新星的形成機制很可能類似於大質量恆星內部核反應燃料耗盡而形成II型超新星的過程；但有所不同的是，形成Ib或Ic型超新星的恆星由於強烈的恆星風或與其伴星的交互作用而失去了由氫元素構成的外層。Ib型超新星被認為是大質量的沃爾夫-拉葉星塌縮後的產物。另外還有一些證據認為少量的Ic型超新星是伽瑪射線暴的產生原因，但也有觀點認為任何氫元素外層被剝離的Ib或Ic型超新星在爆炸的幾何條件允許的情形下都有可能生成伽瑪射線暴。

光度曲線

由於氫光譜中的巴耳末吸收線的存在，II型超新星的光度曲線特徵明顯：與I型超新星的光度曲線相比，II型超新星的光度曲線平均每天降低0.008等，較前者要低很多。按照光度曲線的特徵，II型超新星可分為兩個子類，一類在光度曲線上有一個平坦的高原區（II-P型），另一類的光度曲線則只存在線性衰減（II-L型）。如此II-L型超新星的總體衰減率為每天0.012等，高於II-P型超新星的每天0.0075等。對於II-L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。
II-P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交互作用，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（但不是全部）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內核會有一個如此高的速度。（已經觀測到作為中子星的脈衝星具有很高的速度，理論上黑洞也會有很高的速度，但當前還很難透過孤立的觀測來證實。）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塌縮時的對流和中子星形成時產生的噴流。
具體而言，這種內核上方產生的大尺度對流能夠造成局部的元素豐度變化，從而在塌縮期間導致不均衡分布的核反應，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，並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。（一個類似的模型也被用來解釋長伽瑪射線暴的產生。）
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型的核塌縮

由於Ib、Ic以及多種II型超新星具有類似的機制模型，它們被統稱為核塌縮超新星。而Ia型超新星與核塌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來源。核塌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（但質量仍然大得多），因此這種緻密星體如要變得透明需要進行大幅的膨脹（以及冷卻）。爆炸產生的熱在星體膨脹的過程中被消耗，從而無法促使光子產生。事實上，Ia型超新星所輻射的能量完全來自爆炸中產生的放射性同位素的衰變，這主要包括鎳-56（半衰期6.1天）和它的衰變產物鈷-56（半衰期77天）。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。
在核塌縮超新星中，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來源。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，但核塌縮超新星所釋放的鎳-56通常只有0.1倍太陽質量左右。

重元素的來源

超新星是生成比氧重的元素的關鍵來源。這些元素中，鐵-56以及比它輕的元素的生成來自核融合，而比鐵重的元素都來自超新星爆炸時進行的核合成。儘管存在爭議，超新星確實是最有可能的進行r-過程的候選場所，r-過程是核合成在高溫以及高中子密度時進行的一種快速形式。反應中有大量高度不穩定的原子核產生，這些原子核都含有過剩數量的中子。這些狀態不穩定，經過快速的β衰變而達到更穩定的狀態。
r-過程有可能發生在II型超新星的爆發中，有半數左右豐度的比鐵重的元素都會在其中產生，其中包括鈽、鈾、鉲等元素。與之能相提並論的其他產生重元素的過程只有在衰老的紅巨星內發生的s-過程，但這一過程進行起來要慢得多，而且不能產生比鉛更重的元素。

恆星演化中的作用

超新星爆發後的遺蹟包括一個中央的緻密星體和因激波而快速向外擴散的物質。這些物質在快速膨脹的狀態下掃過周圍的星際物質，這種狀態能夠持續長達兩個世紀。其後它們將經歷一個絕熱膨脹的過程，進而再用一萬年左右的時間逐漸冷卻並與周圍的星際物質混合。
根據天文學中的標準理論，大爆炸產生了氫和氦，可能還有少量鋰；而其他所有元素都是在恆星和超新星中合成的。超新星爆發令它周圍的星際物質充滿了金屬（對於天文學家來說，金屬就是比氦重的所有元素，與化學中的概念不同）。這些合成的金屬豐富了形成恆星的分子雲的元素構成，所以每一代的恆星（及行星系）的組成成分都有所不同，由純氫、氦組成到充滿金屬的組成。超新星是宇宙間將恆星核融合中生成的較重元素重新分布的主要機制，不同元素的所有的分量對於一顆恆星的生命，以至圍繞它的行星的存在性都有很大的影響。
膨脹中的超新星殘骸的動能能夠壓縮凝聚附近的分子雲，從而啟動一顆恆星的形成。如果氣體雲無法釋掉過多的能量，增大的亂流壓也能阻止恆星形成。
在太陽系附近的一顆超新星爆發中，藉助其中半衰期較短的放射性同位素的衰變產物所提供的證據能夠了解四十五億年前太陽系的元素組成，這些證據甚至顯示太陽系的形成也有可能是由這顆超新星爆發而啟動的。由超新星產生的重元素經過了和天文數字一樣長的時間後，這些化學成分最終使地球上生命的誕生成為可能。

對地球的影響

如果一顆超新星爆發的位置非常接近地球以至於它能夠對地球的生物圈產生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星，它們到地球的距離粗略為一百光年以內。超新星對類地行星所產生的負面影響的主要原因是伽瑪射線：對地球而言，伽瑪射線能夠在高空大氣層中引起化學反應，將氮分子轉化為氮氧化物，並破壞臭氧層使地球表面暴露於對生物有害的太陽輻射與宇宙射線之下。據認為一顆近地超新星引起的伽瑪射線暴有可能是造成奧陶紀-志留紀滅絕事件的原因，這造成了當時地球近60%的海洋生物的消失。
有關近地超新星爆發的預測通常集中在有可能形成II型超新星的大質量恆星上，而在距太陽幾百光年的範圍內確實有幾顆主要恆星有可能在短至一千年的時間內成為超新星；一個典型的例子是參宿四，它是一顆距地球427光年的紅超巨星。不過值得注意的是，一般認為這些預測中的超新星對地球幾乎不會產生任何影響。
根據近來的推算，一顆II型超新星的爆發若要摧毀地球上臭氧層的一半，它距地球的距離需要小於8秒差距（合26光年）。這類預測的結果主要與對大氣層建立的模型有關，而它所用到的輻射通量來自對大麥哲倫星雲內II型超新星SN 1987A的測量值。當前對在地球周圍10秒差距範圍內超新星爆發的機率的預測所得的的結果差別很大，從每一億年一次到每一百億年一次不等。
如果Ia型超新星的爆發距地球足夠近，它們被認為是潛在的極大危險，這是由於它們都形成於普通的黯淡的白矮星，從而一顆Ia型超新星有可能在人們始料未及的情形下在一個未被認真研究過的恆星系統中爆發。有理論認為Ia型超新星影響地球的範圍是1000秒差距以內（合3300光年），已知的最近候選者是飛馬座IK（見下文）。
1996年伊利諾伊大學香檳分校的天文學家在理論上推測，有可能能夠從地層中的金屬同位素來探測地球過去受到超新星影響的痕跡。隨即經慕尼黑工業大學的研究人員報告，在太平洋的深海岩層中探測到了因近地超新星造成的鐵-60的富集。

銀河系中超新星的候選者

在未來的幾千年至幾億年中，銀河系中的多個大恆星都被認為有可能成為超新星，它們包括螣蛇十二、海山二、蛇夫座RS、天蠍座U、KPD1930+2752、HD 179821、IRC+10420、大犬座VY、參宿四、心宿二和角宿一。
很多沃爾夫-拉葉星，例如天社一、WR 104、以及五合星團中的成員星，都被認為是在「近」未來中成為超新星的候選恆星。
距離地球最近的超新星候選者是飛馬座IK（HR 8210），它距地球只有150光年。它是一個由一顆主序星和一顆白矮星組成的密近雙星系統，兩者相距僅為三千一百萬千米。據估計其中白矮星的質量約為太陽的1.15倍，大約在幾百萬年後白矮星將透過吸積增長到足夠的質量，從而演化為一顆Ia型超新星。