第193章 不对称性

“小梦，你有没有听说过不对称性？关于超新星的。”华枫在早饭后问起云梦。

看着云梦有些迷惑，华枫随即解释起来。一上午的时间就在这样的问答中很快过去。

他知道质量不小于九倍太阳质量的大质量恒星具有相当复杂的演化风格。在恒星内核中的氢元素不断地通过核聚变产生氦元素，其中释放的能量会产生向外的辐射压，从而保证了内核的流体静力学平衡而避免恒星自身巨大的引力导致的坍缩。

而当恒星内核的氢元素消耗殆尽而无法再产生足够的辐射压来平衡引力时，内核的坍缩开始，这期间会使内核的温度和压力急剧升高并能够将氦元素点燃。由此恒星内核的氦元素开始聚变为碳元素，并能够产生相当的辐射压来中止坍缩。

这使得内核膨胀并稍微冷却，此时的内核具有一个氢聚变的外层和一个更高温高压的氦聚变的中心。（其他元素如镁、硫、钙也会产生并在某些情形下在后续反应中燃烧。）

上述的过程会反复几次，每一次的内核坍缩都会由下一个更重的元素的聚变过程而中止，并不断地产生更高的温度和压力。

星体由此变成了像洋葱一样的层状结构，越靠近外层的元素越容易发生聚变反应。每一层都依靠着其内部下一层的聚变反应所产生的热能和辐射压力来中止坍缩，直到这一层的聚变燃料消耗殆尽；并且每一层都比其外部一层的温度更高、燃烧更快——从硅到镍的燃烧过程只需要一天或几天左右的时间。

在这样过程的后期，不断增加的重元素参与了核聚变，而生成的相关元素原子的结合能也在不断增加，从而导致聚变反应释放的能量不断减少。

并且在更高的能量下内核会发生光致蜕变以及电子俘获过程，这都会导致内核的能量降低并一般会加速核聚变反应以保持平衡。这种重元素的不断合成在镍-56处终止，这一聚变反应中不再有能量释放（但能够通过放射性衰变产生铁-56）

这样的结果导致了这个镍-铁成分的内核无法再产生任何能够平衡星体自身引力的向外的辐射压，而唯一能够起到一定平衡作用的是内核的电子简并压力。

如果恒星的质量足够大，则这个内核的质量最终将有可能超过钱德拉塞卡极限，这样电子简并压力也不足以平衡引力坍缩。最终在星体自身强大的引力作用下，内核最内层的原本将原子核彼此分开的力也无法支撑，星体由此开始毁灭性的坍缩，并且此时已没有任何聚变反应能够阻止坍缩的发生。

内核坍缩：

超新星内核的坍缩速度可以达到每秒七万千米（约合0.23倍光速），这个当原始恒星的质量低于大约20倍太阳质量（取决于爆炸的强度以及爆炸后回落的物质总量），坍缩后的剩余产物是一颗中子星；对于高于这个质量的恒星，剩余质量由于超过奥本海默-沃尔科夫极限会继续坍缩为一个黑洞（这种坍缩有可能是伽玛射线暴的产生原因之一，并且伴随着大量伽玛射

线的放出在理论上也有可能产生再一次的超新星爆发），理论上出现这种情形的上限大约为40-50倍太阳质量。

对于超过50倍太阳质量的恒星，一般认为它们会跳过超新星爆发的过程而直接坍缩为黑洞，不过这个极限由于模型的复杂性计算起来相当困难。

但据最近的观测显示，质量极高（140-250倍太阳质量）并且所含重元素（相对氦元素而言）比例较低的恒星有可能形成不稳定对超新星而不会留下黑洞遗迹。这类相当罕见的超新星的形成机制可能并不相同（而可能部分类似于Ia型超新星爆发），从而很可能不需要铁核的存在。这类超新星的典型代表是II型超新星SN

2006gy，据估计它具有150倍太阳质量，对它的观测表明如此巨大质量恒星的爆炸与先前的理论预测有着基础性的差异。

过程会导致内核的温度和密度发生急剧增长。内核的这一能量损失过程终止于向外简并压力与向内引力的彼此平衡。在光致蜕变的作用下，γ射线将铁原子分解为氦原子核并释放中子，同时吸收能量；而质子和电子则通过电子俘获过程（不可逆β衰变）合并，产生中子和逃逸的中微子。

在一颗典型的II型超新星中，新生成的中子核的初始温度可达一千亿开尔文，这是太阳核心温度的六千倍。如此高的热量大部分都需要被释放，以形成一颗稳定的中子星，而这一过程能够通过进一步的中微子释放来完成。这些“热”中微子构成了涵盖所有味的中微子-反中微子对，并且在数量上是通过电子俘获形成的中微子的好几倍。

大约1046焦耳的引力能量——约占星体剩余质量的10%——会转化成持续时间约10秒的中微子暴，这是这场事件的主要产物

。中微子暴会带走内核的能量并加速坍缩过程，而某些中微子则还有可能被恒星的外层物质吸收，为其后的超新星爆发提供能量。

内核最终会坍缩为一个直径约为30千米的球体，而它的密度则与一个原子核的密度相当，其后坍缩会因核子间的强相互作用以及中子简并压力突然终止。向内坍缩的物质的运动由于突然被停止，物质会发生一定程度的反弹，由此会激发出向外传播的激波。计算机模拟的结果指出这种向外扩散的激波并不是导致超新星爆发的直接原因；实际上在内核的外层区域由于重元素的解体导致的能量消耗，激波存在的时间只有毫秒量级

。

这就需要存在一种尚未了解的过程，能够使内核的外层区域重新获得大约1044焦耳的能量，从而形成可见的爆发。当前的相关研究主要集中在对于作为这一过程基础的中微子重新升温、自旋和磁场效应的组合研究。

由于氢光谱中的巴耳末吸收线的存在，II型超新星的光度曲线特征明显：与I型超新星的光度曲线相比，II型超新星的光度曲线平均每天降低0.008等，较前者要低很多。

按照光度曲线的特征，II型超新星可分为两个子类，一类在光

度曲线上有一个平坦的高原区（II-P型），另一类的光度曲线则只存在线性衰减（II-L型）。

如此II-L型超新星的总体衰减率为每天0.012等，高于II-P型超新星的每天0.0075等。对于II-L型超新星而言，产生这种差别的原因是在原始恒星中的大部分氢元素外层都被抛射出了。

II-P型超新星的光度曲线中的高原区是由于其外层不透明度的变化。爆炸中产生的激波电离了外层中的氢原子，阻止了内部爆炸产生的光子透过外层逸出，从而显著提高了外层的不透明度。当外层的氢离子冷却后重新组合成原子，外层区域的透明度又会回升。

在II型超新星光谱的诸多反常特性中，II

型超新星有可能诞生于喷射物与恒星周围物质的相互作用，而IIb型超新星则有可能是大质量恒星在其伴星的潮汐力作用下失去了大多数（但不是全部）的氢元素外层。随着IIb型超新星喷射物的膨胀，余下的氢元素外层很快会变得透光从而能够展露出里面的内层结构。

不对称性：

长久以来一个围绕着超新星研究的谜团是，如何解释爆炸后产生的剩余致密物质相对内核会有一个如此高的速度

。（已经观测到作为中子星的脉冲星具有很高的速度，理论上黑洞也会有很高的速度，但当前还很难通过孤立的观测来证实。）

不管怎样，能够推动物质产生如此速度的作用力应该相当可观，因为它能够使一个质量大于太阳的物体产生500千米/秒甚至以上的速度。有些解释认为，这种推动力包含了星体坍缩时的对流和中子星形成时产生的喷流。

这张由X射线和可见光的合成图描述了从蟹状星云核心区域发出的电磁辐射。从中心附近的脉冲星所释放的粒子速度可接近光速。这颗中子星的速度约为375千米/秒具体而言，这种内核上方产生的大尺度对流能够造成局部的元素丰度变化，从而在坍缩期间导致不均衡分布的核反应，经反弹后产生爆炸。

而喷流解释则认为，中心的中子星对气体的吸积作用会形成吸积盘，并产生高度方向性的喷流，从而将物质以很高的速度喷射出去，同时产生横向的激波彻底摧毁星体。这些喷流可能是导致超新星爆发的重要因素。（一个类似的模型也被用来解释长伽玛射线暴的产生。）

不过随着时间的推移这种爆炸会变得更为对称。通过对初始状态的出射光的偏振进行测量，这种不对称性就可以被探测到。

Ia型核坍缩：

由于Ib、Ic以及多种II型超新星具有类似的机制模型，它们被统称为核坍缩超新星。而Ia型超新星与核坍缩超新星的基本区别在于在光度曲线峰值附近所释放的辐射的能量来源。核坍缩超新星的原始恒星都具有延伸的外层，并且这种外层达到一定透明度所需的膨胀量较小。光度曲线峰值处的光辐射所需的大部分能量都来自于加热并喷射外层物质的激波。