超新星爆发过程是怎样的？

超新星的变化过程，最后会变成什么？

2025-02-27 13:22:19

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回答（1）：

每一秒钟在宇宙的某个地方都会发生超新星爆发。即使它们的距离极为遥远，这一恒星灾变现象仍能为我们提供有关恒星形成的重要信息。其抛射出几个太阳质量的恒星碎片丰富了星际空间中重元素和放射性元素的含量。

尽管超新星非常的明亮，但是超新星爆发的能量仅仅是整个事件能量释放的冰山一角。理论预言当爆发恒星的铁核坍缩成中子星或者黑洞时，中微子带走了绝大多数的引力结合能。对超新星1987A的中微子观测证实了这一预言。通常情况下，总能量中只有1%转化成了喷出物的动能，而其中又只有很少的一部分转化成了电磁辐射。

能量是怎样从坍缩的致密核传递到被抛射的物质上去的呢？了解超新星爆发的驱动力对于预测超新星遗迹的质量、爆发的能量以及核合成的产物至关重要。因此有必要在大质量恒星的特质和超新星的观测之间建立起理论联系。但不幸的是，目前观测还无法解释在恒星坍缩核中所发生的物理过程。

未来通过对银河系中超新星的中微子和引力波观测将会为我们提供必要的数据。但是现在我们对超新星的认识都来自数值模拟和分析。尽管已经研究了30多年，而且计算模型也越来越复杂，但是仍没有取得令人满意的结果。

当高能光子把铁核团打碎成单个粒子和核子（质子和中子）时，恒星的铁核就会出现引力不稳定。这时，核子和自由质子就会俘获电子，进而使压力大幅度下降，而且产生大量的中微子。后者可以毫无阻碍的离开恒星，直到密度上升为止。在1秒钟之内，恒星内部核区就会坍缩至核密度，但是由于核子简并和核力排斥作用会阻止其进一步的坍缩。

此时，会产生一个流体动力学激波，并且通过仍在超声速下落的外部核区向外传播。一般认为这一激波并不会直接导致超新星爆发。由于铁核的光致蜕变和中微子辐射，激波会损失大量的能量，因此导致在半径100-200km处失速。

但是仅仅几分之一秒之后，情况就发生了变化。激波之后的温度会大幅度下降，以至于离开刚诞生的中子星的大量高能中微子会被后激波层中的自由核子所吸收。如果这一能量传递达到一定程度，就会释放出原来已经失速的激波，导致一次“延迟”的爆发。因为激波的最终命运取决于这些物理过程之间的强弱对比，所以需要更详尽的计算模型来确定由中微子传递给激波的能量是否足以导致超新星爆发。

威尔逊（Wilson）和梅勒（Mayle）通过使用两个假设成功模拟了这一中微子驱动的爆发，但是这两个假设还没有被普遍接受。他们假设中子星中的对流混合过程加速了中微子辐射。另外，他们认为为了得到所观测到的爆发能量，在中子星介质中会出现高密度的π介子（产生于夸克和反夸克之间的强相互作用基本粒子）。这两个假设都有利于导致超新星爆发，因为中微子所传递的能量会随着中微子数目和其本身能量的增大而增大。

但是这一模型也忽略了一些重要的物理过程，正如超新星1987A的光谱观测所显示的，爆发中放射性元素镍以出乎意料的高速运动。这一观测预示大尺度的喷流携带着物质从中子星进入爆发恒星的外部壳层。多维模拟确实显示了在新诞生的中子星与超新星激波（那儿由于中微子加热而形成了一个对流不稳定层）之间的强烈瓦解作用。而且，中子星发出的大量中微子以及上升的高温物质也帮助激波进一步的向外传播。这两个效应对于先前描述的延迟爆发机制至关重要。

最近，进行了首次三维模型的计算，这是超新星模型中的又一个里程碑。其证实了先前二维模型的结果。蘑菇状（见图）的结构开始出现，然后发展成大尺度的结构。由于子扰动，中微子驱动的后激波对流可以解释超新星爆发中核合成产物分布的各向异性。加上自转，它也可能会形成非对称的球体，以及观测到的年轻脉冲星所具有的极大反冲速度。

[图片说明]：超新星的三维模拟。这张透视图显示了新诞生的中子星中的对流混合过程。流体动力学不稳定性导致了蘑菇状结构的产生。不同的颜色代表了在一个恒定质子-中子比例面上不同的流体熵的值（蓝色低，红色高）。摘自文献：E. Muller, H.-T. Janka, Astron. Astrophys. 317, 140 (1997)

但是，目前还没有模拟能精确证明中微子加热机制是完全正确的。在最好的二维、三维模型中，有关中微子的物理过程仍是被大大简化的。其中的恒星会以极高的速度爆发，留下一个较小的中子星，同时抛射出大量的锶、钇和锆，但是其丰度与银河系中所观测到的并不相符。中微子主导了超新星爆发的能量，而且决定了核合成的结果。精确描述中微子的输运和相互作用将有助于解决这些问题。

通过整合牛顿和广义相对论流体动力学模型中的中微子输运玻尔兹曼方程，可以获得新的结果。但是在球对称（一维）模型中没有出现超新星爆发的结果。

下一步就是在二维和三维模型中加入这一对中微子更精确的处理方法，同时也要进一步改进中微子在高密度物质中互相作用的有关方程。对于高温中子星的研究也十分有价值，而且超新星爆发中磁场的作用也需要进一步的研究。只有囊括了所有这些问题，我们才有可能获得大质量恒星爆发的标准模型。

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