宇宙爆炸的新产物

宇宙爆炸的新产物_新星_炽热气体组成的恒

4.宇宙爆炸的新产物——新星

古希腊哲学家亚里士多德曾经认为星空是永远不变的。但是到了1572年，第古·布拉赫宣布在天上发现了一颗新星，这就是中国《明史稿》中的记载“明隆庆六年冬十月丙辰，彗星见于东北方，至万历二年四月乃没”所指的那个天体。时隔30余年，开普勒又于1604年在蛇夫座中发现了一颗新星，这就是中国史籍中记载的出现在明朝万历三十二年的尾分客星。这样，“星空不变”的古老观念被打破了。

新星

实际上，公元前204年在牧夫座出现的一颗新星就被中国史书《汉书》记载了：“汉高帝三年七月有星孛于大角，旬余乃入。”这是人类历史上对新星最早的记载之一。到了近代，借助于望远镜和照相机的帮助，天文学家发现了更多的新星。

天文望远镜中看到的牧夫座星系

在20世纪初天文学家们逐渐认识到，这些新星并不是新出现的恒星，而是原有的恒星因为某种原因发生爆炸时亮度急剧增加的结果。为什么会出现新星爆发事件呢？观测证据表明，几乎所有的新星爆发都发生在双星系统之内，尤其是在那些密近双星上。

在这样的双星系统中，两颗子星靠得很近，以致物质可能从质量较大的子星转移到质量较小的子星上。如果密近双星系统是由一颗红巨星和一颗白矮星组成。当元素氢等物质从红巨星冲向白矮星时，由于白矮星的强大引力场，物质在它的周围形成了一个巨大的吸积盘。大量的物质坠落到白矮星的表面上，同时大量的引力势能转化为热能。当温度超过100万开时，氢核聚变被重新点燃了。核聚变释放出的能量又把白矮星表层加热到超过1000万开，这时就会发生新星爆发。

有时，新星会有足够的亮度，并且以肉眼就能清楚地看见，在最近的例子就是1975年明亮的天鹅座新星。这颗新星于1975年8月29日出现在天鹅座的西北方约5度之处，视星等达到20等。最靠近现在的天蝎座V1280，在2007年2月17日亮度达到37等。

天文学家以银河系每年粗略估计有20 ~ 60颗新星出现，估计出现率为每年40颗。每年被发现的新星数量低于此一数值被归咎于距离的遥远和观测的偏差。比较之下，每年在仙女座大星系发现的新星数量更低，只有银河系的1/2到1/3。

观察新星喷发出星云的光谱，已经发现其中含有丰富的氦、碳、氮、氧、氖和镁等元素。新星对星际物质的贡献并不大，在银河系内只相当于超新星的1/50，红巨星和超巨星的1/200。

超新星

超新星，它是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。爆发中会释放出大量等离子体，并且持续数周至数年时间，天空中好像突然出现了一颗新的恒星。

超新星不同于新星，虽然新星爆发都会令一颗星的光度突然增加，但是程度比较小。超新星爆炸会把恒星的外层抛开，令周围的空间充满氢、氦及其他元素，这些尘埃和气体最终会组成星际云。爆炸所产生的冲击波也会压缩附近的星际云，引致恒星的产生。爆炸的冲击波会冲击四周，留下一个超新星遗迹。蟹状星云就是一个著名的例子。

爆炸形成的星云

理论而言，质量介于太阳的8~25倍的恒星会在一场超新星爆炸中结束自己的生命。当这颗恒星耗尽所有可用的燃料，它就会突然失去一直支撑自身重量的压力，它的核心坍缩成为一颗中子星——一颗毫无生气的超致密残骸，外侧的气体包层则会以5%的光速抛射出去。

当恒星爆发时的绝对光度超过太阳光度的100亿倍、中心温度可达100亿摄氏度，新星爆发时光度的10万倍时，就被天文学家称为超新星爆发了。

一颗超新星在爆发时输出的能量可高达10⁴⁴焦，这几乎相当于我们的太阳在它长达100亿年的主序星阶段输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达10000千米/秒，光度最大时超新星的直径可达到相当于太阳系的直径。1970年观测到的一颗超新星，在爆发后的30天中直径以5000千米/秒的速度膨胀，最大时达到3倍太阳系直径。在这之后直径又开始收缩。

超新星

爆炸形成的星云

根据现在的认识，超新星爆发事件就是一颗大质量恒星的“暴死”。对于大质量的恒星，如质量相当于太阳质量的8~20倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸，这种爆炸就是超新星爆发。现已证明，1572年和1604年的新星都属于超新星。在银河系和许多河外星系中都已经观测到了超新星，总数达到数百颗。可是在历史上，人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星，却只有6颗。

银河系

I型超新星

I型的超新星缺乏氢和氦，但有硅。光谱的峰值中以游离硅的6150纳米波长的光最为明显。它们都是源于达到或接近钱德拉塞卡极限的白矮星的爆发。一个可能是那白矮星是处于一个密近双星系统中，它不断地从它的巨型伴星吸收物质，直至它的质量达到钱德拉塞卡极限。那时候电子简并压力再不足以抵消星体本身的引力，结果是白矮星会坍缩成中子星或黑洞，坍缩的过程可以把剩下的碳原子和氧原子融合。而最后核融合反应所产生冲击波就把那星体炸得粉碎。这与新星产生的机制很相似，只是该白矮星未达钱德拉塞卡极限，不会坍缩，能量是来自积聚在其表面上的氢或氦的融合反应。

超新星

亮度的突然增加是由爆发中释放的能量所提供的，爆发以后亮度不会即时消失，而是会在一段长时间中慢慢地下降，那是因为放射性钴衰变成铁而放出能量。

天文学家对它们产生的机制还是不太清楚。一般相信这些星都是正在结束它们的生命，但它们可能在之前已经失去了氢，所以它们的光谱中没有氢的吸收线。

Ⅱ型超新星

Ⅱ— P超新星在光度曲线上有一个“高原区”。

Ⅱ— L超新星光度曲线呈“线性”的衰减。

如果一颗超新星的光谱不包含氢的吸收线，那它就会被归入Ⅰ型，不然就是Ⅱ型。一个类型可根据其他元素的吸收线再细分。天文学家认为这些观测差别代表这些超新星不同的来源。他们对Ⅱ型的来源理论非常肯定，虽然天文学家有一些意见解释Ⅰ型超新星发生的方法，但是这些意见比较不肯定。

超新星

如果一颗恒星的质量很大，它本身的引力就可以把硅融合成铁。因为铁原子的结合能已经是所有元素中最高的，把铁融合是不会释放能量，相反的能量反而会被消耗。当铁核心的质量达到钱德拉塞卡极限，它就会即时衰变成中子并坍缩，释放出大量携带着能量的中微子。中微子将爆发的一部分能量传到恒星的外层。当铁核心坍缩的时候所产生的冲击波在数个小时后抵达恒星的表面时，亮度就会增加，这就是Ⅱ型超新星爆发。这时核心的质量，它会成为中子星或黑洞。

还有一类被称为“超超新星”的理论爆发现象。超超新星指一些质量极大恒星的核心直接坍缩成黑洞并产生了两股能量极大、近光速的喷流，发出强烈的γ射线。这有可能是导致γ射线暴的原因。

矮新星

超新星爆发和宇宙线的产生也有一定的关系。星际介质中的粒子运动速度一般都在每秒几十千米范围内，但是也有某些特殊情况——有的粒子运动速度可以接近光速，这就是宇宙线。宇宙线是由一些物质粒子如电子、质子等组成的，在本质上完全不同于电磁波。一般说来，由于地球大气对宇宙线的吸收作用，探测宇宙线必须到大气层之外。如果搭乘气球上升到50千米的高空，就可以用底片拍摄宇宙线的踪迹。只有极少数能量极高的宇宙线可以到达地球表面。但是，当高能宇宙线与地球大气发生作用时，会引发一种闪光效应，同时产生二级宇宙线，在地球表面探测二级宇宙线是相对容易的。

超新星形成

实验表明，一些能量较低的宇宙线受到太阳活动的影响。比如，太阳活动有一个11年左右的周期，而观测到的低能宇宙线也随着这个周期而有所变化。另外，当太阳活动增强时，会使得地球周围的磁场增强，从而使在地球上观测到的宇宙线活动减弱。相反，宇宙线流量的最大值往往出现在太阳耀斑等活动最小的时刻。观测也表明，绝大部分宇宙线是来自遥远的宇宙深处的超新星爆发。

因为宇宙线常常会因为星际磁场的作用而改变运动方向，我们很难判断它的辐射源在哪里。但宇宙线在与星际介质发生作用时，会辐射出γ射线；而γ射线是电磁波，运动方向不再受磁场的影响。美国宇航局曾发射了专门观测宇宙γ射线的人造卫星。观测结果表明，宇宙γ射线的分布与发现的超新星的分布有很好的相关性。这就在很大程度上支持了宇宙线来自超新星爆发的观点。

超新星事件和新星事件还有一个本质性的区别，即新星的爆发只发生在恒星的表面，而超新星爆发发生在恒星的深层，因此超新星爆发的规模要大得多。超新星爆发时散落到空间的物质，对新的星际介质乃至新的恒星的形成有着重要的贡献，但这些物质来自死亡恒星的外壳。

超新星处于许多不同天文学研究分支的交汇处。超新星作为许多种恒星生命的最后归宿，可用于检验当前的恒星演化理论。在爆炸瞬间以及在爆炸后观测到的现象涉及各种物理机制，例如中微子和引力波发射、燃烧传播及爆炸核合成、放射性衰变及激波同星周物质的作用等。而爆炸的遗迹如中子星或黑洞、膨胀气体云起到加热星际介质的作用。

超新星在产生宇宙中的重元素方面扮演着重要角色。大爆炸只产生了氢、氦以及少量的锂。红巨星阶段的核聚变产生了各种中等质量元素。而重于铁的元素几乎都是在超新星爆炸时合成的，它们以很高的速度被抛向星际空间。此外，超新星还是星系化学演化的主要“代言人”。在早期星系演化中，超新星起了重要的反馈作用。星系物质丢失以及恒星形成等可能与超新星密切相关。

由于非常亮，超新星也被用来确定距离。将距离同超新星母星系的膨胀速度结合起来就可以确定哈勃常数以及宇宙的年龄。在这方面，Ⅰ型超新星已被证明是强有力的距离指示器。

矮新星

矮新星是一类爆发规模较小、频次较高的爆发变星。

矮新星在许多方面同新星和再发新星类似。矮新星准周期地爆发，光度陡然增亮，又慢慢变暗。不过光度变幅较小，一般不超过6个星等。爆发平均周期较短，10～200天不等。有两类矮新星：一类称双子座U型星或天鹅座SS型星，目前已发现250个以上；另一类称为鹿豹座Z型星，已发现30个以上，它们的变幅比双子座U型星小，平均2～3个星等，周期更短（10～20天）。

新矮星爆发频繁的星系

统计研究表明，矮新星的平均变幅ΔmV和平均爆发周期P之间存在如下关系：ΔmV=0.4+1.85 lg P（P以天计）。这一关系也适合于再发新星,历史上曾用它预报了北冕座T星的再发。许多矮新星也是双星，是由一颗黄矮星或红矮星和一颗白矮星或蓝亚矮星组成的密近双星系统，轨道周期约几小时。冷星充满临界等位面，通过内拉格朗日点将物质抛向热矮星，形成吸积盘和热斑。对双子座U的观测表明，爆发时随着亮度的增加，由食引起的变光深度越来越浅，食的开始时间越来越早，持续时间越来越长。光度极小时，矮新星光谱是连续谱加上强而宽的H、 He和Ca发射带，并有氢的连续发射。光度极大时，强发射带消失，基本上是早型（B型、 A型）的纯连续谱，色温度比光度极小时明显增高。根据综合光谱和光度资料，可以认为矮新星爆发的主要原因是冷星的变热，而冷星体积的变大和热星吸积盘的变亮则是次要原因。这同新星的爆发是由于壳层抛射，因而有效光球面积增大致使光度突增是不一样的。至于冷星表面温度突然增高，很可能是因为它的物质抛射率突然增加，外层大气很快脱离冷星而露出了温度较高的内层所造成的。