第二讲超新星爆发

历史上的超新星爆发时间(AD)光度极大星等发现者遗迹185?-8中国天文学家RCW86393-1中国天文学家837?-8?中国天文学家IC4431006-10中/阿天文学家SN10061054-5中/日天文学家CrabNebula1181-1中/日天文学家3C581572-4TychoBraheTycho1604-3KeplerKepler16805?JohnlamsteedCasA1987+2.9IanSheltonSN1987A1054超新星遗迹---蟹状星云(Crab)及其脉冲星(PSR0531)近代超新星研究的序幕1934年Baade&Zwicky在对河外星系的超新星进行系统地观测研究的基础上，在1/3页的短论文中提出了四个完全崭新的重要预言，它不仅正式提出中子星的观念,而且创见性地以超新星为枢纽把它同恒星死亡、中子星、高能宇宙线的起源联系起来。恒星死亡超新星爆发中子星超新星爆发高能宇宙线的起源1942年Gamow利用Urca过程机制来探讨大质量恒星晚期核心坍缩的可能性1960年丘宏义等人首先研究大质量恒星内正负电子对湮灭发射中微子对过程并提出它可能导致超新星爆发。这实际拉开了现代高能天体物理理论研究的序幕。1966年Colgate从流体动力学出发,首次从解析角度探讨了超新星核心坍缩的动力学过程。正式拉开了现代超新星研究的序幕超新星分类与观测特征超新星分类1.核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2.吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa)超新星分类(2)SN:按照光谱与光变曲线形状的特征来分类I型（Ia,Ib/Ic）—无H线；II型—有H线超新星的观测特征A)光谱光谱H/无H(光极大)SNIISNI光变曲线形状Si(SiII6355,吸收线)/无Si(He线很弱)IILIIPSN1987ASN1987KHe(5876,吸收线)/无HeIaIbIc晚期(6个月以后)光谱:H/无HSNIISNIO/HO/无OSN1987KIb,IcIa(H,O,Ca)(H,Ca)(O,Ca)(Fe,Co)光谱观测的推论1.SNI(a,b,c)爆发前后恒星物质基本上不含氢。其前身星或者为白矮星、或者为WR(Wolf–Rayet)星。(WR星:M主序30M⊙,Tc(7-9)107K强大星风将氢大气包层(甚至氦包层)全部吹掉)2.SNIa大气中He含量很低。但(外层大气中)Si元素不少。3.SNIb大气中主要成分是He4.SNII爆前恒星外层以H为主,其次为氧(O)。5.SNII+SNIb+SNIc产生大量的氧,而SNIa几乎不产生氧6.SNIa爆炸过程中核合成最后产生并向外抛射大量的FeM(Fe)~(0.6-1.25)M⊙/SNIa但SNII、SNIb、SNIc抛向太空的Fe很少M(Fe)~0.1M⊙/SNIIB)光变曲线光变曲线尾巴衰减规律:Lexp{-t/}放射性元素能源~64d(SNI)~90d(SNII-L)~145d(SNII-P)56Ni56Co56Fei8.8d114d1/26.8d77.8d伴随-ray:0.847MeV(99.96%)1.238MeVSN1987A:从光变曲线尾巴的拟合0.075M⊙(56Ni)500天以后:56Co+57Co(1/2=271d)(:0.122MeV(85.6%),0.136MeV)800天以后:44Ti(1/2=4.7年)C)空间分布SNIaSNIbSNII旋涡星系和椭园只出现在旋涡星系或不规则星系星系内均有同恒星形成区(HII区)相联系在旋涡星系中，同旋臂明显相关同旋臂不相关前身星(同光谱特征相结合的推论)双星系统中WR星较大质量主序星吸积白矮星M主序30M⊙8M主序/M⊙30D)爆发能量总辐射能Er~1049ergs(对各类超新星)抛射物总动能:EK~1051ergs(对各类超新星)Vmax~104Km/sSNIa:Vmax104Km/sSNII:一般:Vmax~104Km/sSN1987A:Vmax~3×104Km/s(引力)束缚能:EB~(0.5–1.0)×1051ergs(对各类超新星)爆发总能量:SNIa:E总=Er+EK+EB~1051ergsSNII:中微子暴:E~1053ergs(SN1987A)(核心坍缩成中子星)E总~1053ergsE)爆发频率•银河系内肉眼可见超新星爆发频率:•q肉眼~1/(400年)(由于银河系内星际介质挡光，绝大多数超新星肉眼看不见)•各种统计方法推论q总~(1/25–1/30)年-1•SNIa爆发频率:1990年以前认为:qSNIa~qSNII难以克服的矛盾:由M(56Fe)~(0.6–1.25)M⊙/SNIaM(56Fe)0.1M⊙/SNIIFe族元素的某些富中子同位素的丰度远远超过太阳系标准值。1991年重新分析统计:qSNIa~(1/6–1/7)qSNII+SNIb星系内一半以上的Fe来自SNIaF)前身星SNIa:双星中吸积的白矮星SNIb(SNIc):WR星(M主序(30-40)M⊙)SNII:质量较大恒星:8M⊙M主序25M⊙E)爆发后遗留致密残骸SNIa:基本上全部炸光，不残存任何致密天体。只观测到膨胀的超新遗迹—气体星云+尘埃+碎片例:SN1006核心坍缩型超新星:SNII:中央残骸:中子星(观测上表现为脉冲星)例:SN1054—蟹状星云+蟹状星云脉冲星(CrabPSR)(PSR0531;周期:0.033秒)船帆座脉冲星(VelaPSR):PSR0833;周期:0.086秒SNIb+SNIc:残留黑洞???小结SpectralTypeIbIcIIIa无氦光谱线明显的氦(吸收)光谱线无硅光谱线明显硅(Sinicon)(吸收)谱线无氢光谱线以氢光谱线为最强光谱物理机制吸积白矮星的热核爆炸大质量恒星演化终结时核心坍缩(在红巨星阶段通过强大的星风可能己经丧失它的止氢包层甚至氦包层)光变曲线单纯、线性下降L(线性下降)、P(呈现平台)、I(不规则)三类致密残骸无中子星(呈现为脉冲星)或者黑洞?Rate/h2SNu0.360.110.710.340.140.07ObservedTotal2000asoftoday(nowadays200/year)中微子发射100可见光能量不重要两类超新星的主要特征超新星类型IaII极大光度3x109L⊙3x108L⊙光谱无氢光谱线;重元素光谱线很多;后期Fe线最强最强的是氢光谱线前身星双星系统中的白矮星大质量恒星爆发原因伴星物质被致密白矮星吸积而流入白矮星大质量恒星的铁核心坍缩爆发物理机制吸积白矮星C/O核心的热核大爆炸转化为铁族元素从新生中子星表面向外行进的反弹激波:中微子压强残骸无致密残骸中子星超新星遗迹内的核产物主要是铁各种元素都有II型超新星的爆发机制大质量恒星热核演化结束硅燃烧阶段结束M≈(12-25)M⊙Fe核心T(3-5)109K3109g/cm3Mcore1.13M⊙大质量恒星核心坍缩的主要原因电子俘获过程:引起超新星核心坍缩的关键过程eAZeAZ),1(),(),()(AZQEECECF32/3226/]1)),()[(2/(10952.1cmgcmZAQeECeECcQEC(A,Z):原子核(A,Z)电子俘获的能阈值QEC(12C)=20.596MeV,EC=3.91010g/cm3QEC(56Fe)=3.695MeV,EC=1.14109g/cm3重要原子核电子俘获的密度阈值表中EC过程的能阈值己扣除电子的静止能量广义相对论引力坍缩的临界密度310)(2/106.284.5cmgMYMMGRcSunechcorec(GR)同EC的比较结论:引起SNII(SNIb、SNIc)核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程(EC)。引起吸积白矮星坍缩(它导致SNIa爆发)的主要因素是广义相对论效应。(光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素)超巨质量恒星坍缩的主要物理因素超巨质量恒星坍缩的主要因素:电子对湮灭为中微子对过程eeee非简并高温环境(T2×109K):1910~)()(eeeeII型超新星核心坍缩与星体爆发图象内核心:同模坍缩Vrr(亚声速区)外核心:自由坍缩Vr~Vff/2M内核心~0.6M⊙内外核心交界面附近:Vr~(1/8–1/4)c(光速)超新星核心坍缩与反弹随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到原子核密度nuc(nuc=2.8×1014g/cm3)以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并压强，物质状态方程P5/3变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯性，直到中心密度达到(2-4)nuc时，内核心的坍缩才完全中止。而内核心外围的物质却继续以超音速坍塌,它们猛烈地撞击在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达Eshock~1051-52ergs。光裂变反应导致反弹激波的能量损耗反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度上升到1011K以上，平均热运动能量高达10MeV,超过了56Fe平均每个核子的结合能(8.8MeV)。铁族元素的原子核很快地被热光子打碎:npnFe302641356SunMfoegmergsFeMeVmE1.0/69.1~/1044.8~/26.492~1856核(1foe=1051ergs)能量耗损率瞬时爆发机制失效的原因)()(mEEM激波外核心如果则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，初始激波能量只要尚能剩下1%以上的能量(即1049ergs),残留的激波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。—瞬时爆发机制。)()(mEEM激波外核心如果特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在铁核光致裂解的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这种情形下，瞬时爆发机制失败。结论:瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小以及它的外(铁)核心的质量是否过大?两种探讨途径;1)设法增加反弹激波能量—例如，为使核心坍缩得更为致密(释放更多的自引力能),人为地选取过小的原子核压缩模量系数K130(核物理实验值K210-220)2)反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低外铁(核心)质量—迄今对所有合理的模型计算而言，瞬时爆发机制是不成功的—(铁)核心的质量太大。III.Wilson的中微子延迟爆发机制:他假定新生中子星在0.5秒内产生大量(1052ergs以上)的中微子流。它同物质相互作用，中微子流的动量冲压导致超新星爆发本图描述了反弹激波在停止后景象。Rs为激波所在的位置，此处物质以~Vff的速度向下降落（速度接近自由落体）。物质经过激波的减速之后，以较为缓慢的速度经过加热和冷却区向新生中子星的表面运动。R:中微子球半径,Rns:新生中子星的半径。Re:加热和冷却相平衡处的半径。.MRnsRgRsR中微子延迟爆发机制中两个尚未解决的关键问题1)新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如此巨大的中微子流?产生如此强大的中微子流的具体物理过程是什么?•(凝聚的中微子发射?核物质向(u,d)夸克物质的转化?均未成功)2)即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外的初始速度高达104km/s左右，爆发总动能否达到1049erg?强大中微子流如何在瞬间产生?——我们过去的研究1995年，我们南京大学研究小组提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子星内相继出现的核物质-(u,d)两味夸克-(s,u