超新星浅论

祁鸣书++张丽

摘 要：超新星爆炸是发生在宇宙空间中极为壮观、丰富多彩和引人入胜的重要现象，涉及许多有趣的、尚待探索的物理学研究领域和天体物理学及宇宙学若干相关分支的重要应用。本文试图描述超新星现象研究在各方面的重要意义，提供基本观测事实和理论框架信息以及介绍我们正在从事的部分相关研究工作。

关键词：超新星；伽马暴；中微子；宇宙膨胀；核天体物理；恒星演化；宇宙射线；相对论；磁流体；同步辐射

一、引言

超新星（supernova）爆发是恒星演化过程中最为激烈壮观的恒星爆炸现象，它可以发生于单独的大质量恒星或者吸积双星系统中。根据长期观测经验积累，人们将超新星分成两大类型：光谱中不含氢谱线的Ⅰ型超新星（SNI）和含氢谱线的Ⅱ型超新星（SNII），而在Ⅰ型超新星中又进一步分为Ⅰa，Ⅰb，Ⅰc三个亚型。新星（nova）爆发涉及白矮星吸积的不稳定性，而超新星爆发远比新星爆发更为猛烈。近些年，人们更引入“过超新星”（hypernova）来描述超大质量（几十到上百个太阳质量）的恒星剧烈爆炸现象。自140亿年前宇宙大爆炸以来，除宇宙早期高温核合成的轻元素（约至元素硼Boron），宇宙间的重金属和各种元素大部分是在超新星爆炸过程中形成的。在这个意义上讲，我们的家园地球和神奇生命源自宇宙空间中“不可一世”的超新星爆炸。

根据不同类别，超新星爆炸涉及许多重要有趣的物理过程：（1）超新星爆发前的前身星的对流过程和恒星演化核物理，包括不同质量恒星内部的核合成过程，能量释放及元素逐步分层等。（2）中微子天体物理，包括中微子质量不为零，3种中微子之间相互振荡转换，恒星内部中微子产生与捕获和中微子驱动反弹激波等。（3）恒星核引力塌缩，高密度物质简并和反弹激波物理，包括简并物态方程，中微子捕获，流体和磁流体解析分析和数值模拟及核反应试验数据。。（4）中子星（射电脉冲星、反常X射线脉冲星、磁星）和黑洞形成物理。。（5）加速产生高能宇宙射线的物理过程，这里涉及磁场、激波和带电粒子的一系列相互作用。一般认为，能量高达1000万亿eV的宇宙射线由超新星爆发加速产生。能量更高者（最高至1000万亿MeV），则由其他有待了解的高能天体物理过程产生。（6）致密星体吸积物质的爆炸物理，这里主要指在吸积双星系统中或者回落系统中接近Chandrasekhar质量上限（1。4个太阳质量）碳氧白矮星核因持续不断的物质吸积而引发的Ⅰa型超新星爆发（SNIa）。由于Ⅰa型超新星的爆炸条件相近，所以它们可以作为标准烛光，帮助我们丈量宇宙，从而知道宇宙在不同年龄处的行为。1998年，天文学家正是通过对Ⅰa型超新星的测量分析得到了宇宙正在加速膨胀和可能存在暗能量这一富有挑战性的重要结论。（7）宇宙间伽马射线暴物理，已经有若干个观测事例表明伽马射线暴与超新星爆发成协。因此，研究超新星爆发或有可能为破解宇宙伽马射线暴之谜提供重要线索。（8）星系中、星系团中和宇宙中元素丰度演化物理过程（宇宙自大爆炸以来形成第一代恒星及超新星大量生成了新的元素和重金属）。（9）一个星系中，接连不断的超新星爆炸提供声波和乱流能源，这些流动和声波的衰减有可能加热星系气体物质。

二、理论研究工作

研究超新星爆炸物理过程涉及的方面非常广，综合性极强。实在地说，研究人员面对着诸多方面的挑战和难题。这里仅就我们近几年在相关的流体和磁流体方面的研究工作做一个梗概性的介绍。在爆炸流体力学中，有一个著名的塞道夫（Sedov）自相似解用以描述球对称流体系统中点源高强能量释放所驱动的激波动力学。非线性自相似解是流体力学方程解的重要子集。在足够远离初始条件及边界条件和在瞬变现象逐渐消逝之后，流体动力学系统有可能逐渐演化到自相似状态。人们自然会想到该解在原子弹和氢弹爆炸中的重要应用。这些物理概念同样应用于超新星爆炸和爆炸激波在星际物质中的传播等动力学过程。我们可以视超新星爆炸为宇宙空间提供的爆炸流体和磁流体力学自然实验系统。这里用到的基本方程包括质量守恒、动量守恒、能量守恒和相关的物态方程（比如，理想或简并气体方程）。在描述恒星动力学物理过程时，我们通常在动量守恒方程中需要考虑物质的自引力。相应地，我们由泊松（Poisson）方程规定物质密度和引力势之间的关系。在恒星内部、星风和星际间物质中有不同大小的磁场。如果我们在动量方程中加入相应的磁场洛伦兹（Lorentz）力，则磁场应当满足散度为零的条件和磁流体近似下的法拉第（Faraday）磁感应方程。超新星爆炸时，流体运动速度可以接近光速；大质量恒星核塌缩时，中心引力可以超强；描述这些过程时，我们需要用相对论流体和磁流体方程。如果电荷分离现象不可忽略，我们则必须在发展磁流体理论模型时保留位移电流项。

总体而言，物质的自引力造成体积足够大的物质系统有塌缩成团的趋势（即所谓的Jeans不稳定性），而气体的压力则反抗引力塌缩。粗略地说，宇宙间不同尺度上的各种结构形成皆源于此效应。绝大部分恒星（包括我们的太阳）是靠内部的热核反应所产生的气体压力与物质的自引力保持平衡。白矮星是靠电子的简并压（量子力学中的Pauli不相容原理）顶住物质的自引力，其质量上限为1。4个太阳质量（即Chandrasekhar质量极限），而其大小与地球的差不多。中子星则是靠中子的简并压顶住物质的自引力，其质量上限约为3～4个太阳质量（因超高密度的物态方程不确定性而有所变化）而其半径仅有十几km左右。若星体质量过大，而没有任何物质的简并压可以支撑得住引力塌缩之势，则导致黑洞的形成。描述黑洞时空弯曲性质的理论是爱因斯坦（Einstein）的广义相对论。大质量超新星爆发可以形成中子星；超大质量超新星或“过超新星”爆炸则有可能生成恒星质量级的黑洞。

一个大质量恒星内部热核反应生成的元素依次分层（即所谓的洋葱皮模型），最外层的是元素原子序数最低的氢，星核中心元素原子序数最高为铁。在核燃料即将烧尽时，中心铁核渐渐支撑不住引力塌缩的挤压，铁原子核被伽马光子分解，质子捕获电子变成中子并释放电子中微子（即所谓的中子化）。同时，铁核塌缩的信息向恒星外层迅速传播，外层物质以近乎自由落体的方式涌向中心。星核中心压力迅速升高，物质处于致密简并状态，一个高强度反弹激波在致密的铁核中逐渐形成。反弹激波内侧的高温产生伽马光子和中微子层，它们同时迅速向铁核中心扩散。由于物质密度极高，中微子一时间也无法逃逸。此时光子的辐射压、中微子压和气体物质压合力减缓物质向中心的塌缩速度，而物质密度依然非常高，致使简并物

质体积逐渐扩大。面临恒星外层的塌缩，反弹激波向外传播并驱动其内侧物质外冲。在足够长的时间内，反弹激波的动力学演化可逐渐趋向自相似方式。大部分恒星物质在这个反弹激波过程中被抛出。激波继续外传，与磁化的星风和星际间物质相互作用形成超新星爆炸残迹。最著名的超新星爆炸例子是银河系中的蟹状星云，其膨胀速度约为4000km/s～5000km/s，其中央有一颗高速旋转的射电脉冲星；通过磁化的相对论脉冲星风，这颗高速旋转的中子星为整个蟹状星云膨胀和辐射提供能量。也因此，这颗中子星的旋转速度正在一点点放慢；这一效应是T。Gold预言的，在其他许多射电脉冲星源中都可以观测到。依据旋转斜磁偶极子的电磁辐射的经典理论模型，我们可以推测射电脉冲星的磁场强度约在1000亿Gs或10000亿Gs的数量级上。同为中子星，旋转较慢的磁星上的磁场可高达100万亿Gs～1000万亿Gs。还以绚丽的蟹状星云为例，由于大量非热分布的相对论宇宙射线粒子和磁场的存在，星云在极宽的频带内（从射电波段到伽马射线波段）通过同步辐射损失能量。

三、数据分析和观测研究工作

前面提到，Ⅰa型超新星作为标准烛光成为观测探索宇宙膨胀性质的重要侦测手段之一。例如，宇宙加速膨胀和宇宙间很可能存在暗能量的结论都得到Ⅰa型超新星的观测结果的支持。尽管通常认为Ⅰa型超新星爆发由接近1。4个太阳质量的碳氧白矮星以一定速率吸积物质所致，实际观测到的Ⅰa型超新星光变曲线依然有相当的变化和偏差。因此从物理上充分了解Ⅰa型超新星爆发机制，准确标定Ⅰa型超新星的亮度峰值并减少系统误差对今天的精准宇宙学极为重要。在分析观测数据时，人们通常把“例外”事件拋开。事实上，我们更常用到的是经验性的尝试拟合来推测标定Ⅰa型超新星亮度峰值数据。

近来，我们通过对低红移（即离我们较近的）Ⅰa型超新星光变曲线档案数据的归纳分析，提出了新的颜色参数来标定Ⅰa型超新星的光度峰值。这个新的颜色参数定义为Ⅰa型超新星爆发期间B波段峰值12天后B-V颜色亮度落差。根据数据分析，它与Ⅰa型超新星的光度峰值有着非常紧密的相关性，而且以前认为是“例外”的Ⅰa型超新星也都被很好地纳入了这一经验关系中。这一重要分析结果已经被广泛关注。endprint