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超新星如何形成：宇宙最大爆炸背后的物理学
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图片: NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z Supernova Search Team · Public domain · Wikimedia Commons要点
超新星是恒星的爆炸性死亡，由大质量恒星铁芯的坍缩或白矮星上失控的核反应触发。这次爆炸可以在短时间内超过整个星系的亮度，产生新元素，并留下中子星或黑洞。
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超新星是恒星生命末期的爆炸。根据NASA的说法，这次爆炸在短时间内可能会变得比太阳亮几十亿倍，在一次灾难性事件中摧毁恒星。天文学家将超新星分为两大类，由不同的物理触发器定义：核坍缩超新星和Ia型（热核）超新星。
核坍缩：当大质量恒星燃料用尽时
美国能源部解释说，在恒星的大部分生命中，向内的重力和核聚变产生的向外压力处于平衡状态。在质量至少为太阳八倍的恒星中，这种平衡最终会破裂。当核心耗尽其核燃料并冷却时，内部压力下降，重力突然接管，导致恒星在几秒钟内坍缩，根据该机构的说法。
NASA对相同的过程进行了更详细的描述：当聚变产生铁时，物质不断流入核心，但铁无法进一步聚变以释放能量。一旦铁芯变得太重而无法支撑自己的重量，它就会内爆然后反弹，产生冲击波。根据NASA的说法，这股冲击波加热周围物质，将外层融合成新元素，并将物质喷射到太空中。这种机制产生了天文学家分类的II型、Ib和Ic超新星，取决于恒星在爆炸前已经脱落的外层。
Ia型：白矮星上的热核链反应
第二种机制根本不涉及大质量恒星。Ia型超新星发生在双星系统中，其中白矮星——太阳般恒星的致密残骸——围绕伴星轨道运行并逐渐从中吸取物质。随着白矮星质量增加，其内部温度升高。NASA解释说，一旦白矮星超过大约太阳质量的1.4倍（称为钱德拉塞卡极限的阈值），温度就会变得足够极端，引发较重元素的失控聚变，导致白矮星爆炸。能源部补充说，在一些双星系统中，两个白矮星会相互碰撞，达到相同的爆炸结果。
因为爆炸在一致的质量限制下被触发，Ia型超新星每次释放的能量相似。NASA指出天文学家将其用作标准烛光：通过比较Ia型超新星从地球上看起来有多亮与其已知的内禀亮度，研究人员可以计算到宿主星系的距离。NASA还指出，Ia型事件在银河系中大约每500年发生一次。
爆炸后发生了什么
留下的残骸取决于核坍缩后有多少质量幸存。NASA指出，如果剩余的核心低于约三个太阳质量，它会稳定为超致密中子星；超过该阈值，它会继续坍缩成黑洞。能源部描述了相同的总体结果：特别大的恒星会留下黑洞，而较小的残骸会成为超致密中子星。
超新星也有助于锻造新的化学元素。NASA指出爆炸冲击波中的聚变在将物质喷射到太空时产生新元素。在一个相关但独立的事件中称为千新星，发生在两个中子星合并时，NASA说中子丰富的条件允许原子融合成黄金和铂等重元素。能源部指出，宇宙中某处大约每10秒发生一次超新星。
一个活的例子：SN 1987A
核坍缩最清晰的真实世界例子来自超新星1987A。根据欧洲航天局的韦伯望远镜团队的说法，爆炸的光在1987年2月从大麦哲伦星云到达地球，距离大约160,000光年，使其成为自1604年以来肉眼可见的第一颗超新星。2024年2月，ESA报告说詹姆斯·韦伯太空望远镜的MIRI和NIRSpec仪器在残骸的中心检测到电离氩——被剥离五个电子的原子——这是需要极度能量源的签名。
通过JWST，我们现在找到了由新生致密物体（很可能是中子星）触发的发射的直接证据。
— Claes Fransson，首席研究员，通过ESA/WebbESA将其描述为第一个直接证据，表明核坍缩超新星产生了中子星而不是黑洞，在天文学家几乎从爆炸时刻就能观察到的情况下，用真实数据确认了数十年的理论预测。
核坍缩与Ia型超新星的对比
比较两种主要超新星类型| 特征 | 核坍缩（II型/Ib型/Ic型） | Ia型 |
|---|
| 触发 | 大质量恒星中的铁芯坍缩 | 过载白矮星上的失控聚变 |
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| 原始星质量 | 超过8个太阳质量 | 白矮星接近1.4个太阳质量（钱德拉塞卡极限） |
|---|
| 系统类型 | 通常是单一的大质量恒星 | 双星系统（白矮星+伴星，或两个白矮星） |
|---|
| 留下的残骸 | 中子星或黑洞 | 无——白矮星被摧毁 |
|---|
| 银河系频率 | 在整个星系的大质量恒星中发生 | 大约每500年发生一次（NASA） |
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常见问题
- 是什么触发了超新星？
- 有两个触发因素：大质量恒星的铁芯在核燃料用尽后在自身重力下坍缩，或双星系统中的白矮星获得足够的质量以引发失控聚变，根据NASA和美国能源部的说法。
- 超新星之后留下了什么？
- 核坍缩超新星留下中子星或者（如果有足够的质量），黑洞，NASA说。Ia型超新星完全摧毁白矮星，不留下任何恒星残骸。
- 超新星多久发生一次？
- 能源部估计宇宙中某处大约每10秒发生一次超新星，而NASA说Ia型超新星具体在银河系内大约每500年发生一次。
- 为什么SN 1987A对超新星研究很重要？
- SN 1987A是自1604年以来第一个肉眼可见的超新星，2024年詹姆斯·韦伯太空望远镜在其核心检测到电离氩，提供了爆炸产生中子星的第一个直接证据，根据欧洲航天局的说法。
- 超新星是否创造了我们周围的元素？
- 是的。NASA说超新星冲击波期间的聚变产生新元素，中子星在千新星事件中的合并可以锻造黄金和铂等重元素。
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