超新星淺論

祁鳴書++張麗

摘 要：超新星爆炸是發(fā)生在宇宙空間中極為壯觀、豐富多彩和引人入勝的重要現(xiàn)象，涉及許多有趣的、尚待探索的物理學(xué)研究領(lǐng)域和天體物理學(xué)及宇宙學(xué)若干相關(guān)分支的重要應(yīng)用。本文試圖描述超新星現(xiàn)象研究在各方面的重要意義，提供基本觀測事實和理論框架信息以及介紹我們正在從事的部分相關(guān)研究工作。

關(guān)鍵詞：超新星；伽馬暴；中微子；宇宙膨脹；核天體物理；恒星演化；宇宙射線；相對論；磁流體；同步輻射

一、引言

超新星（supernova）爆發(fā)是恒星演化過程中最為激烈壯觀的恒星爆炸現(xiàn)象，它可以發(fā)生于單獨的大質(zhì)量恒星或者吸積雙星系統(tǒng)中。根據(jù)長期觀測經(jīng)驗積累，人們將超新星分成兩大類型：光譜中不含氫譜線的Ⅰ型超新星（SNI）和含氫譜線的Ⅱ型超新星（SNII），而在Ⅰ型超新星中又進(jìn)一步分為Ⅰa，Ⅰb，Ⅰc三個亞型。新星（nova）爆發(fā)涉及白矮星吸積的不穩(wěn)定性，而超新星爆發(fā)遠(yuǎn)比新星爆發(fā)更為猛烈。近些年，人們更引入“過超新星”（hypernova）來描述超大質(zhì)量（幾十到上百個太陽質(zhì)量）的恒星劇烈爆炸現(xiàn)象。自140億年前宇宙大爆炸以來，除宇宙早期高溫核合成的輕元素（約至元素硼B(yǎng)oron），宇宙間的重金屬和各種元素大部分是在超新星爆炸過程中形成的。在這個意義上講，我們的家園地球和神奇生命源自宇宙空間中“不可一世”的超新星爆炸。

根據(jù)不同類別，超新星爆炸涉及許多重要有趣的物理過程：（1）超新星爆發(fā)前的前身星的對流過程和恒星演化核物理，包括不同質(zhì)量恒星內(nèi)部的核合成過程，能量釋放及元素逐步分層等。（2）中微子天體物理，包括中微子質(zhì)量不為零，3種中微子之間相互振蕩轉(zhuǎn)換，恒星內(nèi)部中微子產(chǎn)生與捕獲和中微子驅(qū)動反彈激波等。（3）恒星核引力塌縮，高密度物質(zhì)簡并和反彈激波物理，包括簡并物態(tài)方程，中微子捕獲，流體和磁流體解析分析和數(shù)值模擬及核反應(yīng)試驗數(shù)據(jù)。。（4）中子星（射電脈沖星、反常X射線脈沖星、磁星）和黑洞形成物理。。（5）加速產(chǎn)生高能宇宙射線的物理過程，這里涉及磁場、激波和帶電粒子的一系列相互作用。一般認(rèn)為，能量高達(dá)1000萬億eV的宇宙射線由超新星爆發(fā)加速產(chǎn)生。能量更高者（最高至1000萬億MeV），則由其他有待了解的高能天體物理過程產(chǎn)生。（6）致密星體吸積物質(zhì)的爆炸物理，這里主要指在吸積雙星系統(tǒng)中或者回落系統(tǒng)中接近Chandrasekhar質(zhì)量上限（1。4個太陽質(zhì)量）碳氧白矮星核因持續(xù)不斷的物質(zhì)吸積而引發(fā)的Ⅰa型超新星爆發(fā)（SNIa）。由于Ⅰa型超新星的爆炸條件相近，所以它們可以作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，幫助我們丈量宇宙，從而知道宇宙在不同年齡處的行為。1998年，天文學(xué)家正是通過對Ⅰa型超新星的測量分析得到了宇宙正在加速膨脹和可能存在暗能量這一富有挑戰(zhàn)性的重要結(jié)論。（7）宇宙間伽馬射線暴物理，已經(jīng)有若干個觀測事例表明伽馬射線暴與超新星爆發(fā)成協(xié)。因此，研究超新星爆發(fā)或有可能為破解宇宙伽馬射線暴之謎提供重要線索。（8）星系中、星系團(tuán)中和宇宙中元素豐度演化物理過程（宇宙自大爆炸以來形成第一代恒星及超新星大量生成了新的元素和重金屬）。（9）一個星系中，接連不斷的超新星爆炸提供聲波和亂流能源，這些流動和聲波的衰減有可能加熱星系氣體物質(zhì)。

二、理論研究工作

研究超新星爆炸物理過程涉及的方面非常廣，綜合性極強(qiáng)。實在地說，研究人員面對著諸多方面的挑戰(zhàn)和難題。這里僅就我們近幾年在相關(guān)的流體和磁流體方面的研究工作做一個梗概性的介紹。在爆炸流體力學(xué)中，有一個著名的塞道夫（Sedov）自相似解用以描述球?qū)ΨQ流體系統(tǒng)中點源高強(qiáng)能量釋放所驅(qū)動的激波動力學(xué)。非線性自相似解是流體力學(xué)方程解的重要子集。在足夠遠(yuǎn)離初始條件及邊界條件和在瞬變現(xiàn)象逐漸消逝之后，流體動力學(xué)系統(tǒng)有可能逐漸演化到自相似狀態(tài)。人們自然會想到該解在原子彈和氫彈爆炸中的重要應(yīng)用。這些物理概念同樣應(yīng)用于超新星爆炸和爆炸激波在星際物質(zhì)中的傳播等動力學(xué)過程。我們可以視超新星爆炸為宇宙空間提供的爆炸流體和磁流體力學(xué)自然實驗系統(tǒng)。這里用到的基本方程包括質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和相關(guān)的物態(tài)方程（比如，理想或簡并氣體方程）。在描述恒星動力學(xué)物理過程時，我們通常在動量守恒方程中需要考慮物質(zhì)的自引力。相應(yīng)地，我們由泊松（Poisson）方程規(guī)定物質(zhì)密度和引力勢之間的關(guān)系。在恒星內(nèi)部、星風(fēng)和星際間物質(zhì)中有不同大小的磁場。如果我們在動量方程中加入相應(yīng)的磁場洛倫茲（Lorentz）力，則磁場應(yīng)當(dāng)滿足散度為零的條件和磁流體近似下的法拉第（Faraday）磁感應(yīng)方程。超新星爆炸時，流體運動速度可以接近光速；大質(zhì)量恒星核塌縮時，中心引力可以超強(qiáng)；描述這些過程時，我們需要用相對論流體和磁流體方程。如果電荷分離現(xiàn)象不可忽略，我們則必須在發(fā)展磁流體理論模型時保留位移電流項。

總體而言，物質(zhì)的自引力造成體積足夠大的物質(zhì)系統(tǒng)有塌縮成團(tuán)的趨勢（即所謂的Jeans不穩(wěn)定性），而氣體的壓力則反抗引力塌縮。粗略地說，宇宙間不同尺度上的各種結(jié)構(gòu)形成皆源于此效應(yīng)。絕大部分恒星（包括我們的太陽）是靠內(nèi)部的熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體壓力與物質(zhì)的自引力保持平衡。白矮星是靠電子的簡并壓（量子力學(xué)中的Pauli不相容原理）頂住物質(zhì)的自引力，其質(zhì)量上限為1。4個太陽質(zhì)量（即Chandrasekhar質(zhì)量極限），而其大小與地球的差不多。中子星則是靠中子的簡并壓頂住物質(zhì)的自引力，其質(zhì)量上限約為3～4個太陽質(zhì)量（因超高密度的物態(tài)方程不確定性而有所變化）而其半徑僅有十幾km左右。若星體質(zhì)量過大，而沒有任何物質(zhì)的簡并壓可以支撐得住引力塌縮之勢，則導(dǎo)致黑洞的形成。描述黑洞時空彎曲性質(zhì)的理論是愛因斯坦（Einstein）的廣義相對論。大質(zhì)量超新星爆發(fā)可以形成中子星；超大質(zhì)量超新星或“過超新星”爆炸則有可能生成恒星質(zhì)量級的黑洞。

一個大質(zhì)量恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)生成的元素依次分層（即所謂的洋蔥皮模型），最外層的是元素原子序數(shù)最低的氫，星核中心元素原子序數(shù)最高為鐵。在核燃料即將燒盡時，中心鐵核漸漸支撐不住引力塌縮的擠壓，鐵原子核被伽馬光子分解，質(zhì)子捕獲電子變成中子并釋放電子中微子（即所謂的中子化）。同時，鐵核塌縮的信息向恒星外層迅速傳播，外層物質(zhì)以近乎自由落體的方式涌向中心。星核中心壓力迅速升高，物質(zhì)處于致密簡并狀態(tài)，一個高強(qiáng)度反彈激波在致密的鐵核中逐漸形成。反彈激波內(nèi)側(cè)的高溫產(chǎn)生伽馬光子和中微子層，它們同時迅速向鐵核中心擴(kuò)散。由于物質(zhì)密度極高，中微子一時間也無法逃逸。此時光子的輻射壓、中微子壓和氣體物質(zhì)壓合力減緩物質(zhì)向中心的塌縮速度，而物質(zhì)密度依然非常高，致使簡并物

質(zhì)體積逐漸擴(kuò)大。面臨恒星外層的塌縮，反彈激波向外傳播并驅(qū)動其內(nèi)側(cè)物質(zhì)外沖。在足夠長的時間內(nèi)，反彈激波的動力學(xué)演化可逐漸趨向自相似方式。大部分恒星物質(zhì)在這個反彈激波過程中被拋出。激波繼續(xù)外傳，與磁化的星風(fēng)和星際間物質(zhì)相互作用形成超新星爆炸殘跡。最著名的超新星爆炸例子是銀河系中的蟹狀星云，其膨脹速度約為4000km/s～5000km/s，其中央有一顆高速旋轉(zhuǎn)的射電脈沖星；通過磁化的相對論脈沖星風(fēng)，這顆高速旋轉(zhuǎn)的中子星為整個蟹狀星云膨脹和輻射提供能量。也因此，這顆中子星的旋轉(zhuǎn)速度正在一點點放慢；這一效應(yīng)是T。Gold預(yù)言的，在其他許多射電脈沖星源中都可以觀測到。依據(jù)旋轉(zhuǎn)斜磁偶極子的電磁輻射的經(jīng)典理論模型，我們可以推測射電脈沖星的磁場強(qiáng)度約在1000億Gs或10000億Gs的數(shù)量級上。同為中子星，旋轉(zhuǎn)較慢的磁星上的磁場可高達(dá)100萬億Gs～1000萬億Gs。還以絢麗的蟹狀星云為例，由于大量非熱分布的相對論宇宙射線粒子和磁場的存在，星云在極寬的頻帶內(nèi)（從射電波段到伽馬射線波段）通過同步輻射損失能量。

三、數(shù)據(jù)分析和觀測研究工作

前面提到，Ⅰa型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光成為觀測探索宇宙膨脹性質(zhì)的重要偵測手段之一。例如，宇宙加速膨脹和宇宙間很可能存在暗能量的結(jié)論都得到Ⅰa型超新星的觀測結(jié)果的支持。盡管通常認(rèn)為Ⅰa型超新星爆發(fā)由接近1。4個太陽質(zhì)量的碳氧白矮星以一定速率吸積物質(zhì)所致，實際觀測到的Ⅰa型超新星光變曲線依然有相當(dāng)?shù)淖兓推?。因此從物理上充分了解Ⅰa型超新星爆發(fā)機(jī)制，準(zhǔn)確標(biāo)定Ⅰa型超新星的亮度峰值并減少系統(tǒng)誤差對今天的精準(zhǔn)宇宙學(xué)極為重要。在分析觀測數(shù)據(jù)時，人們通常把“例外”事件拋開。事實上，我們更常用到的是經(jīng)驗性的嘗試擬合來推測標(biāo)定Ⅰa型超新星亮度峰值數(shù)據(jù)。

近來，我們通過對低紅移（即離我們較近的）Ⅰa型超新星光變曲線檔案數(shù)據(jù)的歸納分析，提出了新的顏色參數(shù)來標(biāo)定Ⅰa型超新星的光度峰值。這個新的顏色參數(shù)定義為Ⅰa型超新星爆發(fā)期間B波段峰值12天后B-V顏色亮度落差。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，它與Ⅰa型超新星的光度峰值有著非常緊密的相關(guān)性，而且以前認(rèn)為是“例外”的Ⅰa型超新星也都被很好地納入了這一經(jīng)驗關(guān)系中。這一重要分析結(jié)果已經(jīng)被廣泛關(guān)注。endprint