超新星：英文supernova,也称：nova.doc

超新星：英文supernova，也称：nova。 有时候，遥望星空，你可能会惊奇地发现：在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星！然而仅仅过了几个月甚至几天，它又渐渐消失了。 这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。在古代又被称为“客星”，意思是这是一颗“前来作客”的恒星。 新星和超新星是变星中的一个类别。人们看见它们突然出现，曾经一度以为它们是刚刚诞生的恒星，所以取名叫“新星”。其实，它们不但不是新生的星体，相反， 而是正走向衰亡的老年恒星。其实，它们就是正在爆发的红巨星。我们曾经不止一次提到，当一颗恒星步入老年，它的中心会向内收缩，而外壳却朝外膨胀，形成一 颗红巨星。红巨星是很不稳定的，总有一天它会猛烈地爆发，抛掉身上的外壳，露出藏在中心的白矮星或中子星来。 在大爆炸中，恒星将抛射掉自己大部分的质量，同时释放出巨大的能量。这样，在短短几天内，它的光度有可能将增加几十万倍，这样的星叫“新星”。如果恒星的 爆发再猛烈些，它的光度增加甚至能超过1000万倍，这样的恒星叫做“超新星”。 超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。据说它在几天内倾泄的能量，就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的哪样多，以致它看上去就像一整个星系那样明亮！ 新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼，同时又是新生恒星的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另 一方面，新星和超新星爆发的灰烬，也是形成别的天体的重要材料。比如说，今天我们地球上的许多物质元素就来自那些早已消失的恒星。 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1043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820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 豺狼座 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 “中国超新星” 蟹状星云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。超新星爆发 有时在某一星区突然看到一颗原来没有的亮恒星，经过几天到几个月，它又慢慢看不见了。因此，古人就把这类星叫新星。其实，它不是“新产生”的恒星，而是原 来就有一颗可能是暗弱的恒星。由于它突然爆发，向外抛射大量物质，光度大增，在一两天内光度增加十几个星等，也就是亮度增长几万倍，使人们误认为“新产 生”了恒星。天文学家们已在我们银河系内发现200多颗新星。中国史料里从公元前134年到公元17世纪末，有90颗新星记载，它们是非常珍贵的科学遗 产。1975年8月30日晚上8点多钟，世界上一些天文台和天文爱好者，在天鹅座里就看到一颗新星。中国许多天文工作者和天文爱好者都看到了并进行了观测 研究。 另外还有一类爆炸的星规模比新星还大叫做超新星。在大质量恒星演化到晚期，内部不能产生新的能量，巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩，将中心物质都压成 中子状态，形成中子星，而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸。这就成为超新星爆发，质量更大时，中心更可形成黑洞。 现在已发现多颗超新星，它们大多在河外星系中，在我们银河系里只发现8颗超新星。历史上最有名的超新星要数1054年出现在金牛座中的那颗了，关于这颗超 新星，中国宋史中有详细的记载：“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是指公元1054年7月4日早晨4 点多钟，在金牛座天关星附近看到的超新星，它开始的亮度和太白金星亮度差不多，经过23天，又慢慢暗下去了。 1731年，一位英国天文爱好者在这个位置上观测到一个畸形天体枣外形似螃蟹，叫蟹状星云。可想而知，蟹状星云就是1054年那颗超新星爆发抛出的物质。它是一个不满千岁的天体，是天体中的“婴儿”。 1987年2月23日，在大麦哲伦星系中观测到一颗超新星SN1987A，成为轰动世界的新闻。北京天文台有一望远镜专门在河外星系中搜索超新星，他们在三年内已发现了32个超新星。超新星的分类 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。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；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。在光度最大时型超新星的光谱中只有氢的线（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。型超新星在光度对大时出现宽的发射线和很强的吸收线，此后将出现氢线和电离钙线。型超新星比型超新星出现的概率要高些。 根据现在的超新星理论，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。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10100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。观测极其意义 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，会辐射出射线；而射线是电磁 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射线的人造卫星。观测结果表明，宇宙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