绚丽的超新星遗迹

作者: 庾君伟

来源: 《科学世界》

发布日期: 2015-09-08

本文详细介绍了超新星遗迹的诞生过程及其形态分类,包括核燃烧导致的超新星爆发和引力坍缩型超新星爆发,以及超新星遗迹的能量来源和形态分类。

宇宙中的天体,生与死总是相依相伴。比如,中小质量恒星的死,伴随着白矮星和行星状星云的生;大质量恒星的死,伴随着中子星、黑洞和超新星遗迹的生。超新星遗迹是怎样诞生的?有哪些形态分类呢?让我们看看科学家怎么说。

超新星遗迹,是大质量恒星死亡前发生灾难性的爆炸后,原来恒星包层中的物质被抛射到星际空间而形成的,而爆发后在中心留下来的核心就成了中子星或黑洞。超新星遗迹的诞生,伴随着星体的剧烈爆发。这种爆发主要有两大类,一类是核燃烧导致的超新星爆发,另一类是常说的引力坍缩型超新星爆发。第一类核燃烧导致的超新星爆发,大家可能对其比较陌生。假设有一个密近双星系统,其成员星为一颗碳-氧白矮星和一颗主序星或红巨星。

白矮星的引力比较强,会从其伴星吸积物质,使得质量增加,当质量达到太阳质量的1.4倍时,白矮星再也无法支撑其引力,于是就会坍缩,温度迅速升高,从而点燃白矮星上的物质,发生核燃烧。这种情况下的核燃烧是不稳定的,它的能量不会像太阳内部进行的核反应那样,有规律地、稳定地释放出来,而是急剧释放不受控制,会迅速炸毁整个白矮星,中心不留下任何残留天体。这也就是Ⅰa型超新星爆发。

这类超新星爆发可以用来作为测量宇宙尺度距离的“标准烛光”—宇宙在加速膨胀,就是通过观测这类超新星爆发而得出的结论。第二类是引力坍缩型超新星爆发。根据恒星质量的不同,星核的引力坍缩存在三种类型。对于大质量恒星,经一系列的核燃烧过程,最终在核心形成铁核。不过,铁核的核燃烧不是释放能量,而是吸收能量。这样一来,铁核就会失去抵抗强大引力的压力而发生坍缩,从而导致超新星爆发。

中等质量的恒星,因质量有限,只能燃烧到核心产生氧、氖、镁等元素的程度。氧-氖-镁核心会通过俘获电子而使得核心压力降低,触发引力坍缩导致超新星爆发。对于前面介绍过的白矮星,除了核燃烧导致超新星爆发,还可以通过引力坍缩导致超新星爆发。当白矮星从其伴星中吸积的物质使得电子被俘获的过程得以发生,同样会导致压力降低,引发坍缩。Ⅰb,Ⅰc型和Ⅱ型超新星爆发都是引力坍缩的结果。

与白矮星的核燃烧不同,引力坍缩后会留下致密残骸—中子星或黑洞。无论何种产生机制,爆发后的物质都会被抛射到星际空间,形成我们看到的美丽、奇幻的超新星遗迹。物质被抛射到星际空间后就变得十分稀薄、弥散,自然也就不再会有核反应为其发光发热提供能量了。但是,我们看到的超新星遗迹的确是在发光,在向外辐射能量。这又是为什么呢?

原来,答案就在深藏于超新星遗迹内部的中心星,也就是前身星死亡时残留下来的残骸—脉冲星之中。脉冲星会具有高达万亿高斯量级的超强磁场。如果这么高的磁场是“死”的,那也没什么特殊的。好就好在脉冲星这超高的磁场是“活”的—它会在脉冲星表面激发出高达每厘米千亿伏特量级的超级电场。正是脉冲星这极高的电场和磁场,既为脉冲星提供射电和高能辐射,又为超新星遗迹源源不断地注入“相对论性”的电子。

一方面,这些相对论性的电子在超新星遗迹的微弱磁场中运动,以同步辐射、曲率辐射的方式辐射能量而发光。另一方面,来自脉冲星的高能辐射,比如X射线光子、γ光子会使得遗迹中的物质粒子发生电离,这些被电离的粒子在复合的过程中会从高能级跃迁到低能级而发光。这就使得稀薄、弥散的超新星遗迹能持续为我们所见。著名的蟹状星云就是如此。

观测表明,如果蟹状星云以现在的功率辐射能量,它的光辉会在30年左右的时间内消逝,我们再也不可能观测到美丽的蟹状星云。正是因为中心的脉冲星源源不断地为蟹状星云提供相对论性的电子,才得以维持蟹状星云的辐射。超新星爆发时,原来星体的包层被抛射到星际空间后,以非常高的速度膨胀,这些物质与原来星际空间中的相互作用,形成我们看到超新星遗迹。超新星遗迹的形态多样,但大致可以分为三类:壳层型、实心型和混合型。

壳层型的主要特点就是有较明显的壳层结构,一般表现为环状结构,最典型的就是位于天鹅座的天鹅环遗迹。此外,第谷超新星遗迹、开普勒超新星遗迹都是壳层型的。实心型,可能会让人“颇有微词”。你也许会想,超新星遗迹的物质都很稀薄、很弥散,何来“实心”之说?当然,这主要是根据亮度来判断的。所谓实心型,是指中心亮度最高,发光物质弥散分布的超新星遗迹。

蟹状星云就是实心型的典型代表,因此,实心型又称为“类蟹状星云型”。实心型的超新星遗迹中心往往有致密星为其提供能量,这也是其中心最亮的原因。混合型,就是兼具壳层结构和发光物质弥散分布两者的特征。混合型超新星遗迹中心也有致密星为其提供能量,而壳层结构,则是超新星爆发时抛射的物质与星际介质相互作用形成的“边界”。这里有个前提,就是要求星际介质的密度不能太低,否则无法形成这个边界壳层。

著名的仙后座A超新星遗迹就是混合型的。

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