超新星爆炸可以有多恐怖?

超新星（supernova，SN）爆炸有多恐怖，看它的绝对星等。越小，光度（电磁能量释放功率）越高，典型的超新星光度曲线如下，

图片引自英语维基百科Supernova - Wikipedia
简要说一下分类，根据光谱特征，常分为type I（无氢吸收线），type II（有氢吸收线）两大类。由图知，Ia SN（有硅吸收线），峰值绝对星等超过-19等。Ib SN（无硅吸收线，有氦吸收线）和Ic SN（无氦、硅吸收线），峰值绝对星等达-18等。绝对星等差1，光度差2.512倍。太阳的绝对星等为4.86等，如果把Ia SN放在太阳的位置，那么它最亮时候是太阳的倍，89亿个太阳！type II SN光度普遍小一等，峰值绝对星等在-16到-17等之间，相当于十几亿个太阳！

理论上，没有这么多分类，根据爆发类型，仅有热核爆炸、核坍缩。

1. 热核爆炸（thermonuclear runaway），C-O简并核白矮星的爆炸。

单简并模型，白矮星+恒星。白矮星吸积（通过洛希瓣流、公共包层的方式）伴星的物质，最终质量达到钱德拉塞卡极限（约1.4倍太阳质量，若考虑白矮星自转、磁场的因素，最高可达2.8倍太阳质量），于是引力超过电子简并压，引起星体坍缩。坍缩过程，一半的引力能释放，一半的转化为热能，导致星体温度急速升高。当某区域温度达到碳、氧聚变温度（约8亿K），点火（指聚变反应），引发失控的热核反应。原因是正反馈：简并核的传热性非常好，局部热量可迅速传导整个星体，所以星体是等温的。聚变反应敏感地依赖温度（幂率），温度升高，反应率幂率地增大，导致温度进一步升高。接着，极高的温度带来极高的热压力，产生超声速传播燃烧的火焰（flame），所到之处简并解除（其实，过程非常复杂，如点火位置），短时间内聚变释放的能量超过了引力束缚能，后果就是星体急速膨胀，最终形成行星状星云，没有遗留物。
双简并模型，白矮星+白矮星。具体可以是CO白矮星+He白矮星，CO白矮星+CO白矮星等诸多可能（依赖初始质量、吸积率、星风等）。白矮星因引力辐射带走轨道角动量最终并合爆炸；或者距离过近，质量大的吸积质量小的，并合前质量大的白矮星达到钱德拉塞卡极限而爆炸。

在热核爆炸模型，超新星释放能量仅取决于前身星的质量。可想而知，双简并模型能量肯定高于单简并模型。事实上，人们观测到某些Ia SN光度不止-19等，竟然达到-21等！可能是双简并模型的证据。

2. 核坍缩（core collapse，CCSN），是大质量恒星演化晚期的爆炸。人们一共提出四种类型，铁核坍缩，电子俘获，配对不稳定，光致解离。

铁核坍缩，早期的超新星模型。大质量恒星核合成至铁元素，形成洋葱结构。中心是铁核，再外依次是硅壳层、镁壳层、氧壳层、碳壳层、氦壳层、氢壳层、氢包层。这个模型认为，Ib SN是无氢壳层、氢包层的大质量恒星爆发，Ic SN是无氦壳层的大质量恒星爆发。硅壳层持续燃烧，导致铁核质量持续增大（硅聚变并不是合成铁，但需要硅才能合成铁，铁是中子链合成的），形成简并铁核。爆发则是铁核质量超过钱德拉塞卡极限，铁核坍缩，引力能释放，铁原子核解离成氦，氦俘获电子，开启中子化过程，释放大量的中微子，带走了约99%的引力能，核心形成半径约10km的前身中子星，这些过程的时间只有几秒！外层来不及反应。核心形成铁核，光度下降，外层热压力减小，引发外层坍缩。
当坍缩的外层物质下降遇到前身中子星时，发生什么？人们普遍认为，产生反弹的超音速激波！激波向外冲击，带走了外层物质（直接爆发机制），解释了光度曲线急剧上升。然而问题没这么简单，90年代，数值模拟发现激波最终停下来了，炸不开外层物质。大牛们开玩笑，中微子没准可以复活激波啊。额，随后考虑中微子流与激波层作用，没想到真可以讲很小部分的能量传给激波，激波复活了（延时爆发机制）。

电子俘获，发生在O-Mg核大质量恒星（8-11倍太阳质量），只是将铁核替换为氧镁核。简并核的氧、鎂原子核在致密的情况下（密度约10^9g/cm^3）俘获电子，使电子简并压迅速减小，于是核心坍缩。

以上是一类爆发机制，简并核心，不论白矮星（可视为裸露的简并的恒星核心），还是铁核、氧镁核。另一类爆发机制，并不是简并核心。而是由于某些原因，核心的热压力下降，发生引力坍缩。

• 配对不稳定，发生在100倍（上限约140）太阳质量的大质量恒星。这类恒星，当核心温度数十亿开尔文，高能光子对湮灭成电子对。热压力迅速下降，引起坍缩，坍缩释放的引力能提高了光子能量，保持光子对持续湮灭。眼熟不，正反馈！另一个问题，核心是什么构成的？哈哈，肯定不是铁了！可能是巨大的氧核，甚至氦核。由于这类核仍能聚变，坍缩的后果导致核心温度迅速升高，反应率以幂率变大，导致一起类似Ia SN的爆发。星体完全爆炸，从核心到外层被炸飞了，不会形成中子星或黑洞。
• 光致解离，发生在200倍太阳质量或更大的大质量星，核心温度高到光子能击碎原子核的程度（100亿K）。原子核吸收光子后，碎裂自由的质子、中子（合称核子）。此时核心就是一锅质子中子汤，几乎重现了宇宙大爆炸后1s的情形。当核心全部核子化后，坍缩停止。然而随着能量逃逸，温度下降，热压力下降，坍缩重新开始，导致质子、中子简并，此时核心质量超过了中子星质量上限，坍缩得以继续，最终形成黑洞。外溢的能量以高能光子的形式冲击外层，是否引起爆发不能确定，也有可能是伽马暴：原因是黑洞形成后急速吸积核心附近的物质，数十秒内吸积一个太阳质量的物质！部分被吸积的物质运动到黑洞的自转轴附近产生相对论性喷流（jet）.

内部机制讲完了，开始答题。SN的光度已经给你直观的印象，但不够。题主问有多恐怖，我理解为外面的我们能看到什么现象。能看到好多：

• 首先，没有变化。没错，在超新星爆炸开始时，亮度没有变化。理解这点很重要，以太阳为例，我们刚看到的太阳光是什么时候的？答，八分钟前。对也不对，它是八分钟前的，太阳大气层的光球层发出的。然而，光球的能量来自太阳核心，核心的能量以光子传到光球需多久？一千万年！So，为什么我们在几十天内看到SN的亮度提高了亿倍？Ia SN没有外壳，传的快啊。CCSN有外壳，但有激波啊。激波上千公里每秒传播，几十天传到了超新星表面。
• 然后，中微子流。根据延时爆发机制，中微子球在加热激波后，与物质脱耦（就是作用很弱的意思），以光速如无人之境离开SN，进入星际空间，此刻激波还在外传了。
• 然后，亮瞎眼的光或者伽马暴。电子俘获、铁核坍缩类型的CCSN，被抛射的外层物质发出亮瞎眼的光。配对不稳定、光致电离类型的CCSN，激波和外层物质作用，发出高能量伽马射线。
• 然后，放射性元素。亮度达到峰值，能量终于传到表面，外层物质被抛射到星际空间，发生重核合成过程。元素周期表中，铁之后的元素是SN爆发后通过中子俘获合成的，以铁族的居多。
• 然后，行星状星云。抛射的物质冷却，和星际物质作用，减速，形成行星状星云。Ia SN的遗迹仅有行星状星云，没有致密天体。
• 然后，电磁脉冲。行星状星云中的中子星，磁轴和自转轴不重合，磁极附近的电子产生同步辐射。当磁轴与自转轴的夹角扫过我们的探测器，接收一次脉冲。
• 最后，X射线。中子星、黑洞，吸积伴星或超新星的垃圾，在它们的赤道附近形成一个类似圆饼的结构——吸积盘。吸积盘面的温度高达上百万开尔文，发出X射线。

补充。可能题主没有从我的描述感到恐怖，如果在太阳处放一颗CCSN（注意，太阳是小质量恒星，结局是CO白矮星，不是超新星），那么，

• 它爆发时的半径超过太阳半径的1000倍，对比，日地距离约为太阳半径的210倍。所以我们在它肚子里。
• 它爆发时的峰值亮度是太阳的几十亿倍，对比，地球仅接收太阳能量（功率）的20亿分之1。相当于我们接收了太阳1s的全部辐射，足以融化地球。
• 每秒钟，约有上百亿的太阳中微子穿过我们的身体。CCSN的中微子便是乘以亿，什么后果？SN1987A在大麦哲伦星云，离我们20万光年。爆发时，日本的神冈中微子探测器接收到了3个中微子，所以，我们应该会被中微子打成筛子。
• 如果它是光致解离超新星，能量可能主要以伽马暴释放，后果你懂的。
• 亮度达到峰值，开始长达几百天的放射性元素衰变。有没有想过，为什么爆发后的光度曲线那么长（余晖），答案正是放射性元素衰变（Ni56,Co56，半衰期一个月）。看一下我给的光度曲线图，余晖的绝对星等是多少？没错，一般的SN遗留几个太阳质量的放射性元素（Ia SN是0.7倍太阳质量的放射性元素）！
• 行星状星云，不是善类，虽然远观好美（激波），它以数千公里每秒的速度向外膨胀。行星状星云还是高能宇宙线源，GeV~TeV能量的高能粒子的诞生地之一。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）

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