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超新星

大质量恒星的“暴死”——超新星

超新星：英文supernova

也称（nova）

当恒星爆发时的绝对光度超过太阳光度的100亿倍、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〖10〗^43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大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。

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。

时间方位视亮度观测、记录者

185半人马座比金星亮中国

369仙后座比木星亮中国

1006天狼座比金星亮中国、日本、朝鲜、阿拉伯

1054金牛座比金星亮中国、日本、阿拉伯、印度

1572仙后座与金星相同布拉赫等

1604蛇夫座介于天狼星和木星之间中国人和开普勒、伽利略等

出现超新星爆发这样的宇宙级“暴力事件”概率有多大呢？虽然在每个星系中这一概率是很小的，但由于现在能观测到很多河外星系，所以在每年中都能观测到相当多的河外超新星事件。可是，从1604年以来，在我们银河系中还没有再次观测到超新星。这可能是因为宇宙尘埃的存在遮挡住了出现在银河系的某个角落中的超新星的光芒。

天文学家把超新星分为两种类型。两种类型的超新星在爆发时的光变曲线形状很不相同。Ⅰ型光变曲线的峰值很“锐”，绝对峰值光度约为太阳光度的100亿倍，爆发后变暗时速度缓慢；Ⅱ型光变曲线的峰值稍“钝”一些，绝对峰值光度约为太阳光度的10亿倍，爆发后很快变暗。

两类超新星的光谱也很不相同。在光度最大时Ⅱ型超新星的光谱中只有氢的а线（6。563*〖10〗^-7米）比较明显，大约1个月后会出现比较多的发射线和微弱的吸收线。Ⅰ型超新星在光度对大时出现宽的发射线和很强的吸收线，此后将出现氢а线和电离钙线。Ⅱ型超新星比Ⅰ型超新星出现的概率要高些。

根据现在的超新星理论，Ⅰ型超新星来自质量相当于太阳质量的恒星，至于为什么太阳质量大小的恒星也会发生超新星级的爆发，这至今还是一个谜。一种解释是它来自双星系统。如果双星系统的一颗子星是质量大到接近上限的白矮星，当另一颗子星的物质冲向白矮星并坠落其上时，就可能发生规模极大的爆炸，这时白矮星会升级而变成中子星。这种过程可以产生超新星级的巨大能量。Ⅱ型超新星则来自质量比太阳质量大得多的恒星，比如来自质量相当于10~100倍太阳质量的恒星。爆发前它们已经演化到了红巨星阶段，爆发就发生在红巨星的星核中。由于质量的巨大，在红巨星膨胀到相当于太阳系这样大时，其星体的温度还很高；它的外层大气的密度也近乎均匀一致。这些条件使得爆发时的冲击波能够以恒定的速度从星核传输到表层，光度最大时表面温度可能达到10000开，抛射物质的速度达到5000千米/秒。这正是观测到的实际情形。

超新星产生的冲击波携带着星壳物质冲向更远处的星际介质，物质间的碰撞“点亮”了原有的和新形成的星际介质，使它们发出光芒。这就是我们在夜空中观测到的超新星遗迹。其中著名的一个是在天鹅座中的圈状星云。

除了在可见光区观测到的超新星遗迹外，通过专门用来观测来自太空的X射线的人造卫星“爱因斯坦天文台”，人类发现了不少天上的X射线源，其中有30个以上是X射线超新星遗迹。1572年出现的隆庆彗星即第古新星，就留下了X射线遗迹。超新星冲击波使得星际介质温度高达几百万开并辐射出强烈的X射线。这是一颗典型的Ⅰ型超新星。

使用射电望远镜可以发现仅由最稀薄气体构成的超新星遗迹。比如，是射电天文学家最先发现了仙后座A这一超新星遗迹，后来在光学波段也发现了它的极暗弱的对应体。

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，有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。

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。相反地，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г射线；而г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г射线的人造卫星。观测结果表明，宇宙г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，因此超新星博爱法的规模要大的多。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。

超新星的研究用途

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（重于碳但轻于铁）。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，Ia型超新星已被证明是强有力的距离指示器。最初是通过标准烛光的假定，后来是利用光变曲线形状等参数来标定化峰值光度。作为室女团以外最好的距离指示器，其校准后的峰值光度弥散仅为8%，并且能延伸到V> 30,000 km s-1的距离处。Ia超新星的哈勃图（更确切地说是星等-红移关系）现在成为研究宇宙膨胀历史的最强有力的工具：其线性部分用于确定哈勃常数；弯曲部分可以研究膨胀的演化，如加速，甚至构成宇宙的不同物质及能量组分。利用Ia超新星可用作“标准烛光”的性质还可研究其母星系的本动。高红移Ia超新星的光变曲线还可用于检验宇宙膨胀理论。可以预计由于宇宙膨胀而引起的时间膨胀效应将会表现在高红移超新星光变曲线上。观测数据表明红移z处的Ia超新星光变曲线宽度为z= 0处的(1+z)倍，这为膨胀宇宙理论提供了又一个有力的支持。某些II型超新星也可用于确定距离。II-P型超新星在平台阶段抛射物的膨胀速度与它们的热光度存在相关，这也用来进行距离测定。经上述相关改正后，原来II-P型超新星V波段的～1星等的弥散可降到～0.3星等的水平，这提供了另一种测独立于SN Ia的测定距离的手段。此外，II型超新星的射电发射也似乎具有可定量的性质，如6cm的光变曲线峰与爆炸后6cm峰出现的时间存在相关，这也可用来进行距离估计。

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新星并不是新诞生的星星，它本来就是一颗恒星，只是太暗而看不到。所谓新星就是恒星的突然爆发，即恒星的外围结构以爆炸的方式向外抛射物质，使恒星迅速变亮，好像天空中诞生了一颗新的星。

新星爆发时，恒星一下子膨胀了几千倍，亮度突然增加9个星等以上。当光度达到极大时，膨胀着的气壳以500～2000千米／秒的速度离开恒星。当气壳向外抛射、逐渐散开并消失时，新星亮度便逐渐减弱，经过几个月甚至几年后才恢复到原来的亮度。天文学家通过比较发现，新星在爆发前和爆发后的亮度基本上一致。新星爆发后，一般只损失整个恒星质量的0.01％~0.1％。由此可见，新星既不是新诞生的恒星，也不是恒星的末日。

爆发不只一次的新星称为再发新星，已发现的这种新星数量并不多，目前已知的再发新星仅约10颗。近年有理论认为，新星属于密近双星，即非常接近并互相绕转的一对星。在它们的演化过程中，其中一颗星变成体积庞大、密度较低和颜色发红的红巨星，另一颗星演变成体积小、密度大、温度较低的热矮星。在引力作用下，温度较高的红巨星气体流向热矮星，被热矮星吸引过来的物质很不稳定，集聚的热量一旦达到引起热核反应的温度，便发生热核爆炸，热矮星成了新星。从现代天文学的角度来说，发现新星已不是什么了不起的事了，因为单单我们自己的这个银河系内，一年中有时会发现好几十颗新星。

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