這幾天都在出差,所以今天來不及更新,向大家請(qǐng)假,請(qǐng)?bào)w諒。
以下爲(wèi)拓展資料,感興趣的書友可以選讀。
《關(guān)於超新星爆炸的描述》
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超新星(supernova,SN)爆炸有多恐怖,看它的絕對(duì)星等。越小,光度(電磁能量釋放功率)越高。
簡(jiǎn)要說一下分類,根據(jù)光譜特徵,常分爲(wèi)type?I(無氫吸收線),type?II(有氫吸收線)兩大類。Ia?SN(有硅吸收線),峰值絕對(duì)星等超過-19等。Ib?SN(無硅吸收線,有氦吸收線)和Ic?SN(無氦、硅吸收線),峰值絕對(duì)星等達(dá)-18等。絕對(duì)星等差1,光度差2.512倍。太陽的絕對(duì)星等爲(wèi)4.86等,如果把Ia?SN放在太陽的位置,那麼它最亮?xí)r候是太陽的2.512^{25}=8.9\times?10^{9}倍,89億個(gè)太陽!type?II?SN光度普遍小一等,峰值絕對(duì)星等在-16到-17等之間,相當(dāng)於十幾億個(gè)太陽!
理論上,超新星爆炸沒有這麼多分類,根據(jù)爆發(fā)類型,僅有熱核爆炸、核坍縮。
【A:熱核爆炸(thermonuclear?runaway),C-O簡(jiǎn)併核白矮星的爆炸。】
單簡(jiǎn)併模型,白矮星+恆星。白矮星吸積(通過洛希瓣流、公共包層的方式)伴星的物質(zhì),最終質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限(約1.4倍太陽質(zhì)量,若考慮白矮星自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)的因素,最高可達(dá)2.8倍太陽質(zhì)量),於是引力超過電子簡(jiǎn)併壓,引起星體坍縮。坍縮過程,一半的引力能釋放,一半的轉(zhuǎn)化爲(wèi)熱能,導(dǎo)致星體溫度急速升高。當(dāng)某區(qū)域溫度達(dá)到碳、氧聚變溫度(約8億K),點(diǎn)火(指聚變反應(yīng)),引發(fā)失控的熱核反應(yīng)。原因是正反饋:簡(jiǎn)併核的傳熱性非常好,局部熱量可迅速傳導(dǎo)整個(gè)星體,所以星體是等溫的。聚變反應(yīng)敏感地依賴溫度(冪率),溫度升高,反應(yīng)率冪率地增大,導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高。接著,極高的溫度帶來極高的熱壓力,產(chǎn)生超聲速傳播燃燒的火焰(flame),所到之處簡(jiǎn)併解除(其實(shí),過程非常複雜,如點(diǎn)火位置),短時(shí)間內(nèi)聚變釋放的能量超過了引力束縛能,後果就是星體急速膨脹,最終形成行星狀星雲(yún),沒有遺留物。
雙簡(jiǎn)併模型,白矮星+白矮星。具體可以是CO白矮星+He白矮星,CO白矮星+CO白矮星等諸多可能(依賴初始質(zhì)量、吸積率、星風(fēng)等)。白矮星因引力輻射帶走軌道角動(dòng)量最終併合爆炸;或者距離過近,質(zhì)量大的吸積質(zhì)量小的,併合前質(zhì)量大的白矮星達(dá)到錢德拉塞卡極限而爆炸。
在熱核爆炸模型,超新星釋放能量?jī)H取決於前身星的質(zhì)量。可想而知,雙簡(jiǎn)併模型能量肯定高於單簡(jiǎn)併模型。事實(shí)上,人們觀測(cè)到某些Ia?SN光度不止-19等,竟然達(dá)到-21等!可能是雙簡(jiǎn)併模型的證據(jù)。
【B:核坍縮(core?collapse,CCSN)】
是大質(zhì)量恆星演化晚期的爆炸。人們一共提出四種類型,鐵核坍縮,電子俘獲,配對(duì)不穩(wěn)定,光致解離。
1、鐵核坍縮,早期的超新星模型。大質(zhì)量恆星核合成至鐵元素,形成洋蔥結(jié)構(gòu)。中心是鐵核,再外依次是硅殼層、鎂殼層、氧殼層、碳?xì)印⒑印錃印浒鼘印_@個(gè)模型認(rèn)爲(wèi),Ib?SN是無氫殼層、氫包層的大質(zhì)量恆星爆發(fā),Ic?SN是無氦殼層的大質(zhì)量恆星爆發(fā)。硅殼層持續(xù)燃燒,導(dǎo)致鐵核質(zhì)量持續(xù)增大(硅聚變並不是合成鐵,但需要硅才能合成鐵,鐵是中子鏈合成的),形成簡(jiǎn)併鐵核。爆發(fā)則是鐵核質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限,鐵核坍縮,引力能釋放,鐵原子核解離成氦,氦俘獲電子,開啓中子化過程,釋放大量的中微子,帶走了約99%的引力能,核心形成半徑約10km的前身中子星,這些過程的時(shí)間只有幾秒!外層來不及反應(yīng)。核心形成鐵核,光度下降,外層熱壓力減小,引發(fā)外層坍縮。
當(dāng)坍縮的外層物質(zhì)下降遇到前身中子星時(shí),發(fā)生什麼?人們普遍認(rèn)爲(wèi),產(chǎn)生反彈的超音速激波!激波向外衝擊,帶走了外層物質(zhì)(直接爆發(fā)機(jī)制),解釋了光度曲線急劇上升。然而問題沒這麼簡(jiǎn)單,90年代,數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)激波最終停下來了,炸不開外層物質(zhì)。大牛們開玩笑,中微子沒準(zhǔn)可以復(fù)活激波啊。額,隨後考慮中微子流與激波層作用,沒想到真可以講很小部分的能量傳給激波,激波復(fù)活了(延時(shí)爆發(fā)機(jī)制)。
2、電子俘獲,發(fā)生在O-Mg核大質(zhì)量恆星(8-11倍太陽質(zhì)量),只是將鐵核替換爲(wèi)氧鎂核。簡(jiǎn)併核的氧、鎂原子核在緻密的情況下(密度約10^9g/cm^3)俘獲電子,使電子簡(jiǎn)併壓迅速減小,於是核心坍縮。
以上是一類爆發(fā)機(jī)制,簡(jiǎn)併核心,不論白矮星(可視爲(wèi)裸露的簡(jiǎn)併的恆星核心),還是鐵核、氧鎂核。另一類爆發(fā)機(jī)制,並不是簡(jiǎn)併核心。而是由於某些原因,核心的熱壓力下降,發(fā)生引力坍縮。
3、配對(duì)不穩(wěn)定,發(fā)生在100倍(上限約140)太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恆星。這類恆星,當(dāng)核心溫度數(shù)十億開爾文,高能光子對(duì)湮滅成電子對(duì)。熱壓力迅速下降,引起坍縮,坍縮釋放的引力能提高了光子能量,保持光子對(duì)持續(xù)湮滅。眼熟不,正反饋!另一個(gè)問題,核心是什麼構(gòu)成的?哈哈,肯定不是鐵了!可能是巨大的氧核,甚至氦核。由於這類核仍能聚變,坍縮的後果導(dǎo)致核心溫度迅速升高,反應(yīng)率以冪率變大,導(dǎo)致一起類似Ia?SN的爆發(fā)。星體完全爆炸,從核心到外層被炸飛了,不會(huì)形成中子星或黑洞。
4、光致解離,發(fā)生在200倍太陽質(zhì)量或更大的大質(zhì)量星,核心溫度高到光子能擊碎原子核的程度(100億K)。原子核吸收光子後,碎裂自由的質(zhì)子、中子(合稱核子)。此時(shí)核心就是一鍋質(zhì)子中子湯,幾乎重現(xiàn)了宇宙大爆炸後1s的情形。當(dāng)核心全部核子化後,坍縮停止。然而隨著能量逃逸,溫度下降,熱壓力下降,坍縮重新開始,導(dǎo)致質(zhì)子、中子簡(jiǎn)併,此時(shí)核心質(zhì)量超過了中子星質(zhì)量上限,坍縮得以繼續(xù),最終形成黑洞。外溢的能量以高能光子的形式衝擊外層,是否引起爆發(fā)不能確定,也有可能是伽馬暴:原因是黑洞形成後急速吸積核心附近的物質(zhì),數(shù)十秒內(nèi)吸積一個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)!部分被吸積的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到黑洞的自轉(zhuǎn)軸附近產(chǎn)生相對(duì)論性噴流(jet)。
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以上是內(nèi)部機(jī),如果想要形象地瞭解超新星爆發(fā)的能量級(jí)別,我們可以簡(jiǎn)單地做一個(gè)類比。
舉個(gè)例子,英仙座超新星爆炸,釋放出的能量大約是6.0*10^37J能量。而最強(qiáng)大的極超新星爆炸釋放出的中微子能量可以達(dá)到1*10^48J。一次超新星爆炸中的伽馬射線暴,能量級(jí)可以達(dá)到1*10^45J。
好吧,必須感謝科學(xué)記數(shù)法,不然40多個(gè)零真的難數(shù)。
那麼是什麼概念呢?
我們的太陽,100億年的生涯,總共可以釋放出1.3*10^44J。
而太陽一秒的能量,按照現(xiàn)在人類每年使用能量5*10^20J來算,可以使用大約80萬年。