次日。
“瑾姑娘,你有沒有聽說過不對稱性?關於超新星的。”張曉辰在早飯後問起華瑾。
“你知道的,我從來對這些不感興趣,即便是我的前世也一樣。”華瑾一邊整理吃過飯的小桌子一邊回答,她今天換了一身灰色阿迪運動裝。
看著華瑾有些迷惑,張曉辰隨即解釋起來。一上午的時間就在這樣的問答中很快過去。
他告訴華瑾:質量不小於九倍太陽質量的大質量恆星具有相當複雜的演化風格。在恆星核心中的氫元素不斷地透過核聚變產生氦元素,其中釋放的能量會產生向外的輻射壓,從而保證了核心的流體靜力學平衡而避免恆星自身巨大的引力導致的坍縮。
而當恆星核心的氫元素消耗殆盡而無法再產生足夠的輻射壓來平衡引力時,核心的坍縮開始,這期間會使核心的溫度和壓力急劇升高並能夠將氦元素點燃。由此恆星核心的氦元素開始聚變為碳元素,並能夠產生相當的輻射壓來中止坍縮。
這使得核心膨脹並稍微冷卻,此時的核心具有一個氫聚變的外層和一個更高溫高壓的氦聚變的中心。其他元素如鎂、硫、鈣也會產生並在某些情形下在後續反應中燃燒。
這個過程會反覆幾次,每一次的核心坍縮都會由下一個更重的元素的聚變過程而中止,並不斷地產生更高的溫度和壓力。
星體由此變成了像洋蔥一樣的層狀結構,越靠近外層的元素越容易發生聚變反應。每一層都依靠著其內部下一層的聚變反應所產生的熱能和輻射壓力來中止坍縮,直到這一層的聚變燃料消耗殆盡;並且每一層都比其外部一層的溫度更高、燃燒更快——從矽到鎳的燃燒過程只需要一天或幾天左右的時間。
在這樣過程的後期,不斷增加的重元素參與了核聚變,而生成的相關元素原子的結合能也在不斷增加,從而導致聚變反應釋放的能量不斷減少。
並且在更高的能量下核心會發生光致蛻變以及電子俘獲過程,這都會導致核心的能量降低並一般會加速核聚變反應以保持平衡。這種重元素的不斷合成在鎳56處終止,這一聚變反應中不再有能量釋放,但能夠透過放射性衰變產生鐵56,這樣的結果導致了這個鎳鐵成分的核心無法再產生任何能夠平衡星體自身引力的向外的輻射壓,而唯一能夠起到一定平衡作用的是核心的電子簡併壓力。
如果恆星的質量足夠大,則這個核心的質量最終將有可能超過錢德拉塞卡極限,這樣電子簡併壓力也不足以平衡引力坍縮。
最終在星體自身強大的引力作用下,核心最內層的原本將原子核彼此分開的力也無法支撐,星體由此開始毀滅性的坍縮,並且此時已沒有任何聚變反應能夠阻止坍縮的發生。
超新星核心的坍縮速度可以達到每秒七萬千米約合0.23倍光速,這個當原始恆星的質量低於大約20倍太陽質量,取決於爆炸的強度以及爆炸後回落的物質總量,坍縮後的剩餘產物是一顆中子星;對於高於這個質量的恆星,剩餘質量由於超過奧本海默沃爾科夫極限會繼續坍縮為一個黑洞,這種坍縮有可能是伽瑪射線暴的產生原因之一,並且伴隨著大量伽瑪射線的放出在理論上也有可能產生再一次的超新星爆發,理論上出現這種情形的上限大約為4050倍太陽質量。
核心最終會坍縮為一個直徑約為30千米的球體,而它的密度則與一個原子核的密度相當,其後坍縮會因核子間的強相互作用以及中子簡併壓力突然終止。向內坍縮的物質的運動由於突然被停止,物質會發生一定程度的反彈,由此會激發出向外傳播的激波。計算機模擬的結果指出這種向外擴散的激波並不是導致超新星爆發的直接原因;實際上在核心的外層區域由於重元素的解體導致的能量消耗,激波存在的時間只有毫秒量級。
這就需要存在一種尚未了解的過程,能夠使核心的外層區域重新獲得大約1044焦耳的能量,從而形成可見的爆發。當前的相關研究主要集中在對於作為這一過程基礎的中微子重新升溫、自旋和磁場效應的組合研究。
由於氫光譜中的巴耳末吸收線的存在,ii型超新星的光度曲線特徵明顯:與i型超新星的光度曲線相比,ii型超新星的光度曲線平均每天降低0.008等,較前者要低很多。
長久以來一個圍繞著超新星研究的謎團是,如何解釋爆炸後產生的剩餘緻密物質相對核心會有一個如此高的速度。已經觀測到作為中子星的脈衝星具有很高的速度,理論上黑洞也會有很高的速度,但當前還很難透過孤立的觀測來證實。
不管怎樣,能夠推動物質產生如此速度的作用力應該相當可觀,因為它能夠使一個質量大於太陽的物體產生500千米秒甚至以上的速度。有些解釋認為,這種推動力包含了星體坍縮時的對流和中子星形成時產生的噴流。
這張由x射線和可見光的合成圖描述了從蟹狀星雲核心區域發出的電磁輻射。從中心附近的脈衝星所釋放的粒子速度可接近光速。這顆中子星的速度約為375千米秒具體而言,這種核心上方產生的大尺度對流能夠造成區域性的元素丰度變化,從而在坍縮期間導致不均衡分佈的核反應,經反彈後產生爆炸。
而噴流解釋則認為,中心的中子星對氣體的吸積作用會形成吸積盤,併產生高度方向性的噴流,從而將物質以很高的速度噴射出去,同時產生橫向的激波徹底摧毀星體。這些噴流可能是導致超新星爆發的重要因素。一個類似的模型也被用來解釋長伽瑪射線暴的產生。
不過隨著時間的推移這種爆炸會變得更為對稱。透過對初始狀態的出射光的偏振進行測量,這種不對稱性就可以被探測到。
由於ib、ic以及多種ii型超新星具有類似的機制模型,它們被統稱為核坍縮超新星。而ia型超新星與核坍縮超新星的基本區別在於在光度曲線峰值附近所釋放的輻射的能量來源。
核坍縮超新星的原始恆星都具有延伸的外層,並且這種外層達到一定透明度所需的膨脹量較小。
光度曲線峰值處的光輻射所需的大部分能量都來自於加熱並噴射外層物質的激波。
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