超亮超新星能源之谜

王善钦　戴子高　王灵俊　吴雪峰

近十多年来，人类发现了大约100个比一般超新星亮得多的超新星，它们被称为“超亮超新星”。超亮超新星挑战了传统的超新星能源机制与爆炸机制，同时也开启了更深入理解恒星演化与爆炸的大门。

超新星（supernovae，SNe）是宇宙中最壮观的爆炸现象之一。超新星爆发向星际空间喷射大量中等质量元素与铁系元素，在此后漫长的岁月里，这些元素又会凝聚到新一代恒星与行星中。地球上的大部分稳定金属，尤其是地球上含量丰富的铁以及人类血液中的铁，绝大部分都来自于超新星爆发。双星系统中先后发生的超新星爆发所遗留下来的双中子星系统或黑洞一中子星系统在相互绕转的过程中，由于引力波辐射会损失能量，导致轨道收缩，最终并合。在此过程中，一部分中子星物质被抛出，并迅速合成大量镧系元素与锕系元素，这些元素是超新星的间接产物。因此可以说，没有超新星，仅依靠恒星的自然演化与平静死亡，地球上的绝大部分金属将无法形成。也不会有现在的人类以及其他生命。

超新星爆发后形成的强大激波还将挤压附近物质，加快这些星际物质形成新一代恒星；超新星激波还会加速粒子，使其成为高能宇宙线；超新星爆发后还会形成中子星（或夸克星）或恒星级黑洞。

大部分超新星最亮时亮度可以达到1亿-10亿个太阳亮度。超新星从爆发到消失，持续时间一般为一年左右，只要距离地球足够近或仪器能力足够好，人们就可以持续上百天（少数可以持续数千天）观测它们。

近年来，天文学家观测到一类亮度比此前发现的超新星亮得多的超新星，最亮时亮度可以超过几百亿甚至几千亿个太阳亮度，各波段的绝对星等小于21。这类超新星被称为超亮超新星（super-luminous supernovae，SLSNe）。这里必须特别强调：绝对星等越低，超新星越亮。例如，一个绝对星等为-22的超新星亮度大约是绝对星等为-21的超新星亮度的2.5倍。

迄今为止，人们发现并确认的超亮超新星大约有100颗，其中最亮的超新星是2015年6月全天自动超新星搜索项目（All Sky Automated Survey for SuperNovae，ASAS-SN）发现的ASASSN-151h（SN2015L）。

超新星的爆发机制与分类

超新星有三类不同的爆发机制。

（1）白矮星从其伴星吸积物质或两颗白矮星并合，当质量超过钱德拉塞卡极限时（约为1.4个太阳质量），其中心会发生不稳定热核燃烧，释放的能量足以将星体炸毁，此类超新星是“热核爆炸型超新星”的一类。

（2）大质量恒星演化到中心为铁核或氧一氖一镁核阶段之后，坍缩反弹爆发，将星体炸开，中心留下中子星（或夸克星）或黑洞，此类超新星现象称为“核坍缩型超新星”。

（3）更大质量的恒星在演化到中心为氧核时，由于温度过高，高能光子合成正负电子对，然后再形成正负中微子对。每次反应都有一小部分中微子对逃逸出星体，辐射压降低，从而使得星体收缩，温度升高，反应加剧，形成恶性循环，星体迅速被炸毁，形成的就是对不稳定超新星（pair-instability supernovae，PISNe），它们是“热核爆炸型超新星”的另一类。

超新星光谱中有大量发射线和吸收线，这些谱线揭示了超新星爆发时喷射物的元素构成。根据谱线的不同，超新星可分为Ⅰ型和Ⅱ型两大类，Ⅰ型超新星光谱中没有氢吸收线，而Ⅱ型光谱中有氢吸收线呈现。Ⅰ型超新星可进一步分为Ia、Ib、Ie等类型；Ⅱ型超新星可进一步分为IIP、IlL、IIb、IIn（光谱中有窄线）等类型。Ib与Ic又被统称为Ib/c型，对于无法区分出到底是Ib还是Ic的超新星，则记为Ibc型。最近一些年还发现一些Ia、Ib、Ic型的光谱中也有窄线。

超亮超新星的光谱型比普通超新星少得多，只有Ic型（也被直接称为I型）、IIn型与IIL型（统称为II型）。有个别学者认为，有些I型超亮超新星是由放射性元素56Ni驱动的，单独列为R型。本文不对I型与R型进行区分，因为R型的光谱特征依然是I型的。

更细致的研究表明，爆发机制分类与光谱分类之间存在较强的关联。

（1）Ia型超新星为白矮星吸积或双白矮星并合爆发的产物。

（2）Ib、Ic、IIP、IIL、IIb型超新星大多为核坍缩型超新星，少数Ic型超新星可能为对不稳定超新星。

（3）IIn型超新星的情况最为复杂。大部分IIn型超新星为核坍缩型超新星，由于与星周介质发生相互作用而产生窄发射线；少数IIn型超新星为白矮星爆发形成的超新星，本应属于Ia型，但因为与星周介质相互作用而产生窄发射线，被划入IIn型；也许极少数IIn超新星为对不稳定超新星，但由于外界物质的遮蔽，人们至今不清楚是否真的有这种起源的IIn型超新星。

超新星能源机制的主要模型

超新星爆发后，主要能源机制有6种：激波加热的星体冷却辐射，放射性56Ni衰变，脉冲星转动能注入，电离氢再复合，喷射物与星周介质相互作用，以及黑洞一吸积盘产生的喷流驱动。如果超新星爆发能够形成黑洞，那么脉冲星转动能注入的时间就只有几小时，因此可以忽略脉冲星能量注入；反之，如果脉冲星能够持续数百天，那么就无需考虑黑洞一吸积盘机制的贡献。

对于超亮超新星，情况略有不同。电离氢再复合只适用于那些爆炸前保留有大量氢的超新星，所能提供的能量远远无法满足超亮超新星的要求；激波加热的星体冷却辐射主要在超新星爆发后几天起作用；黑洞一吸积盘产生的喷流驱动仅在极少数情况下会对超新星亮度起主要作用。因此，对于超亮超新星，人们一般只需要考虑剩下的三类能源机制：放射性56Ni衰变、脉冲星转动能注入、喷射物与星周介质相互作用。

56Ni的级联衰变

热核爆炸型超新星爆炸后，12C与16O会被燃烧为56Ni；氧-氖-镁核坍缩型超新星爆炸后，中微子驱动星风合成56Ni；铁核坍缩型超新星爆发后，激波扫过28Si壳层，温度达到50亿度以上的区域被燃烧成56Ni。无论何种方式形成的56Ni，此后都会衰变为56Co，然后衰变为56Fe，这两个过程都会释放出高能光子与正电子，喷射物被加热至白炽状态，产生黑体辐射，辐射以紫外一可见光一近红外光为主。这个模型可以追溯到1960年代。

各类普通超新星（IIn、Ia、Ib/c、IIb、IIP）与超亮超新星（I、II）的光变曲线纵坐标为绝对星等，横坐标为时间，以峰值时为时间零点。

56Ni是超新星爆发早期的主要能源；几百天后，半衰期很长的放射性元素如22Na、44Ti开始占据优势。由于绝大多数超新星只能被观测几百天，大部分情况下，只需考虑56Ni的作用，其他放射性元素的影响可以忽略，尤其是仅研究超新星的峰值亮度时。56Ni（与其他放射性物质）级联衰变模型可以解释绝大部分超新星爆发现象。为解释普通超新星的亮度，一般需要0.05-0.5个太阳质量的56Ni。

大部分Ia型超新星爆发后，生成大约0.5太阳质量的56Ni，因此相对明亮；大部分核坍缩型超新星爆发后形成的56Ni质量只有0.001～0.2太阳质量，因此相对暗。不过，从1997年开始，人们发现一些动能比普通超新星大10倍以上的核坍缩型超新星（多数为Ic型）合成的56Ni也可以达到0.5太阳质量。

脉冲星转动能注入

除了产生56Ni为主的放射性元素外，大多数核坍缩型超新星爆发后会留下脉冲星，少数留下黑洞。脉冲星可能为中子星，也可能为夸克星。它们的旋转轴与磁轴存在夹角，如果磁轴在旋转过程中周期性地指向地球，其辐射便是脉冲式，因此得名脉冲星。具有超强磁场的脉冲星[如10亿～1000亿特，地磁场仅为（5～6）×10^-4特]被称为“磁星”。

超新星爆发后，如果遗留下脉冲星，则后者可以将转动能通过偶极辐射转化为高能辐射，加热喷射物。大部分超新星，即使留下脉冲星，偶极辐射提供的亮度也可以忽略不计，亮度仍然主要来自56Ni衰变的贡献。

但是，一些理论研究表明，超新星爆发后，可能在中心留下周期为毫秒量级的磁星。这些毫秒级磁星拥有非常大的转动能，偶极辐射功率异常大。这些磁场极高的毫秒级磁星通过偶极辐射把能量注入喷射物之后，会显著提高超新星的亮度。这是解释超亮超新星的最重要模型之一。原则上，磁星旋转越快，能够驱动的超新星越亮，解释超亮超新星的磁星的周期一般在1-5毫秒。

磁星模型可以追溯到1971年，奥斯特里克（J.P.Ostriker）与冈恩（J.E.Gunn）首先提出脉冲星可以将转动能转化为超新星辐射。2009-2010年，伍斯利（S.E.Woosley）以及卡森（D.Kasen）与比尔德斯滕（L.Bildsten）分别用磁星偶极能量注人模型解释超亮超新星。

喷射物与星周介质相互作用

任何恒星在其演化过程中都会将其自身的粒子吹到太空中，形成星风（stellar wind）；在有些时候，还会因为某种不稳定性，喷发出物质壳层。超新星的前身星也不例外，它们在爆发前，都会辐射出大量星风粒子，有些甚至会喷发出大量物质组成的壳层；超新星爆发后，快速运动的喷射物撞击先前喷发出的星风与壳层，将机械能转化为热辐射。

喷射物与星风或壳层撞击，会加热一些物质，使其发出窄发射线与中等宽度发射线。这类超新星被标记为n型超新星，以IIn型居多。

许多IIn型超新星以及IIn型超亮超新星都涉及喷射物与星周介质相互作用过程，相互作用提高了亮度，普通亮度的IIn型超新星普遍比其他类型普通亮度超新星亮一些。

第一个引起强烈反响的超亮超新星就是一个IIn型超亮超新星——SN2006gy。这个超新星不能用56Ni模型解释，因为56Ni模型预测的光变曲线与观测不符。研究发现，这个超新星的主要能源由喷射物与星风物质相互作用提供，为了得到更好的拟合结果，需要同时考虑1～2太阳质量的56Ni。

一些I型超亮超新星也可以由这种能源机制解释。不过，磁星模型在解释I型超新星时更有优势，也更加简洁、自然。

有一些超新星，例如iPTFl3ehe，在爆发晚期亮度反而显示出明显的增强，这很可能是由于喷射物开始碰撞到远处的物质壳层。最近发现的超亮超新星ASASSN-151h在晚期出现了亮度不再减弱的现象（光变曲线上呈现出平台），这可能也是源于超新星喷射物撞击星周介质的贡献。

56Ni模型无法解释大部分超亮超新星

对于绝大多数普通超新星，56Ni模型对其能量来源提供了最佳、最自然的解释。然而，56Ni的产量极限使得它能够提供的亮度存在一个上限。

假定超新星亮度上升至峰值的时间相同的情况下，超新星合成的56Ni质量与超新星峰值时的亮度成正比。从爆发到最亮用时18天，峰值时绝对星等为-18.5的超新星，所合成的56Ni质量大约为0.5太阳质量；另一超新星，如果从爆发到最亮用时同样是18天，峰值时星等为-21.5（这是一个超亮超新星，亮度约为前者6.3倍），那么这个超新星合成的56Ni为前者的6.3倍，约3.2个太阳质量。这几乎达到了核坍缩型超新星能够合成的56Ni极限。超新星需要的56Ni还与达到峰值时的时间近似成正比，如果后者上升至峰值的时间是前者的2倍，那么需要的56N1也会增加到原来的2倍左右，这就超过了核坍缩型超新星的极限，需要假定这个超新星是所谓的“对不稳定超新星”。

对于更亮的超新星，对不稳定超新星也无法给出合理的解释，原因如下。如果一个超新星峰值星等为-23.5，即使它上升到峰值时间也是18天，这个超新星所需的56Ni也高达50太阳质量。而绝大部分恒星爆发前的质量不会超过这个值，即使爆发后所有物质都变为56Ni，也不可能合成这么多的56Ni。只有对不稳定超新星才会合成50个太阳质量的56Ni，这恰恰也是其56Ni产量的上限。而如此多的56Ni必然导致更多的喷射物，从而导致上升时间显著超过18天，这将需要更多的56Ni，明显超过对不稳定超新星的56Ni产量极限。超亮超新星峰值时星等可以达到-23.5，意味着其能量来源不可能主要由56Ni提供。

此外，分析还表明：即使对那些峰值星等为-21左右的超亮超新星，如果用56Ni模型来解释，需要的56Ni与喷射物质量比值将超过30%-50%，有些甚至超过1。而数值模拟却表明，这个比例不应超过20%。因此56Ni模型无法解释这些超新星。

磁星模型的改进与应用

近年来的研究表明，大部分超新星不能用56Ni模型解释，却可以用磁星模型解释。至今为止发现的超亮超新星大多数为I型，少数为IIn型。其中，I型超亮超新星主要由磁星模型解释。

2013-2014年，因塞拉（c.Inserra）、尼科尔（M.Nicholl）等人连续发表了多篇重要论文，用磁星模型成功地解释了多个超亮超新星，但在解释一些超亮超新星时，超新星爆发晚期的理论预测亮于观测。

2014年夏，笔者首次系统深入研究了爆发晚期的Y射线泄漏效应，研究发现：在考虑泄漏效应之后，磁星模型可以完美地解释因塞拉等人研究的超亮超新星；2015年春，通过仔细计算与分析，笔者首次证实：一些明亮但不是超亮的Ic型超新星也必须以磁星注入能量为主要能源。在此基础上，笔者提出了能对普通亮度、明亮、超亮Ic型超新星能量来源进行解释的统一模型（包含放射性元素衰变与磁星能量注入）。

2015年6月，ASAS.SN项目发现了一个超新星ASASSN-151h（SN 2015L）。北京大学的东苏勃等人发现：峰值后15天时，其亮度是太阳的5700亿倍。笔者与合作者对这个超新星进行了理论分析与数值计算，研究结果表明：如果这颗超新星的能源主要来自于56Ni等放射性物质，则放射性物质的质量约为260太阳质量，这彻底排除了放射性物质模型。笔者与合作者用磁星模型首次给出ASASSN151h的理论光变曲线，爆发早期、中期阶段理论预测与观测数据非常吻合。对这个超新星的光变曲线的拟合还发现，磁星的周期大约为0.8毫秒，两极磁场约30亿特。笔者与合作者的细致计算表明：这个超新星爆发后留下的磁星可能是一个夸克星——如果这颗磁星是一个夸克星，引力波辐射的影响将微乎其微，就可以安全地驱动这颗超新星。

超亮超新星是近年来发现的一类非常罕见的超新星，大多数为I型，少数为IIn型，极少数为IlL型。

只有少数超亮超新星的能量来源可以用56Ni模型解释，为了用56Ni模型解释这些事件，还必须假定超新星为不稳定对超新星。当前解释I型与IIL型超亮超新星的主流模型为磁星模型，假定磁星初始自转周期为1～5毫秒，则可以对大多数I型超亮超新星进行合理解释。解释IIn型超新星的主流模型则为喷射物一星周介质相互作用模型。

对超亮超新星能源来源的研究可以加深人们对这类剧烈爆发现象的理解，同时可以探寻其爆发方式以及爆发后留下的脉冲星的种类与物态方程，对天体物理学的研究有重要意义。