超新星

蔡途

超新星（supernovae，SNe）是宇宙中最壮观的天文现象之一。超新星爆发后，亮度在数天到数十天内达到最亮，为太阳亮度的数亿倍至数百亿倍，然后持续衰减数月至数十年，再成为超新星遗迹。发生于银河系及其卫星星系（如大麦云、小麦云）中适当位置的超新星，可以在地球上用肉眼直接观测。

超新星爆发之后合成铁系元素与重元素。然后将这些元素以及爆发前已经合成的各种元素以每秒几千公里到每秒几万公里的速度抛射到太空中。这些元素会成为下一代恒星、行星的组成部分；人体内的元素除了氢之外，也都是超新星带来的。

超新星的爆发机制

超新星爆发有多种起源，对应着多种爆发机制。

白矮星爆炸模型对于由一颗白矮星和一颗正常恒星（如红巨星或主序星）组成的双星系统，如果两颗子星靠得足够近，白矮星就会吸积伴星物质。白矮星是简并压支撑的天体（因此属于“简并星”），当其质量增大到一定极限后将变得不稳定，其内部产生剧烈的热核反应，将整个星体炸碎，这就是“单简并爆炸模型”。如果双星系统的子星都是白矮星，二者并合，也会产生剧烈的热核反应，将整个星体炸碎，这就是“双简并爆炸模型”。

核坍缩、反弹与中微子延迟暴模型初始质量超过大约8倍太阳质量的恒星在主序星阶段，其内部--g处于氢热核反应产生的气体热压力和恒星自身引力相平衡的状态，这时恒星是稳定的。当恒星中的大部分氢经核反应变为氦后，氦核心被点燃。对于初始质量为8～10倍太阳质量的大质量恒星，中心燃烧到形成足够大的氧、氖、镁构成的核心之后，电子俘获过程就会导致星体坍缩，中心被压缩出一个硬核，然后外层物质被硬核反弹，中心硬核所形成的中子星发射中微子，加热外层物质，将整个星体炸开，中心留下的是中子星，这就是“中微子延迟暴模型”驱动的“氧一氖一镁核坍缩型超新星”的爆发机制。对于初始质量在10倍太阳质量以上的大质量恒星，上述“燃烧”过程会一直持续到核心生成铁，形成洋葱结构，铁无法通过聚变燃烧，恒星内部的核反应停止，无法继续提供足以抵抗巨大引力的辐射压，星体开始向内坍缩，此后的反弹、中微子驱动等过程与氧-氖-镁核坍缩型超新星类似，形成铁核坍缩型超新星，最后，中心留下中子星或黑洞。以上两类核坍缩型超新星爆发后，释放的总能量中仅有约1%转化为超新星的动能，可见光辐射的能量与总能量的比值更是只有0.01%左右，大约99%的总能量被中微子带走。这些中微子是中子星形成的重要线索。它们可以轻易穿透物质，比电磁波辐射早几个小时逃出星体，因此是超新星电磁波爆发的前驱爆发，极具研究价值。

对不稳定爆炸模型初始质量超过140倍太阳质量（这是一个粗略的数值，具体数值还受恒星的金属丰度影响）的大质量恒星，在燃烧到中心形成氧核时，内部产生的Y射线光子的能量就高到足以成对地变为正负电子对，进而成为正反中微子对，后者逃逸出星体，导致恒星收缩，温度继续升高，这又更利于形成上述过程。这个正反馈过程导致星体迅速被彻底炸毁，形成“对不稳定超新星”（pair instability supernovae，PISNe），中心不留下任何残骸。

超新星的分类

根据超新星最亮时的光谱特征，可以将超新星分为I型与II型。其中，I型超新星光谱没有氢吸收线，而II型超新星光谱则有氢吸收线呈现。根据有无氦、硅吸收线，I型又可以细分为Ia（有硅吸收线）、Ib（没有或有较弱的硅吸收线，有氦吸收线）、Ic（没有或有较弱的硅吸收线，没有或有较弱的氦吸收线）型。II型又可细分为IIP、IIL、lib与IIn型，其中IIP型超新星的光变曲线存在持续约100天的“平台（plateau），因此得名；IIL型超新星的光变曲线线性下降，没有平台；IIb型超新星在亮度最大时的光谱为II型，在晚期光谱为Ib型，因此得名；IIn型超新星的光谱中存在窄（narrow）发射线。IIn型与IIP型的交叉类被记为IIP-n型或IIn-P型。最近一些年还发现一些Ia、Ib、Ic型的光谱中也有窄线，光谱中具有窄线的Ib型超新星称为Ibn型。如果白矮星系统附近有稠密的星周介质（cireumstellar medium，CSM），超新星喷射物与CSM相互作用，产生一些氢发射线，被命名为Ia-CSM型超新星，这一类超新星中有一部分被混入Iln型之中。

I型超新星光谱中的氢光谱线几乎没有或者很弱，说明I型超新星在爆发前要么是一颗失去氢包层的大质量恒星，要么是一个周围缺乏氢的白矮星；而Ⅱ型超新星的光谱中有很强的氢光谱线，说明其源于死亡前还含有一定量氢的大质量恒星或者被富含氢的介质包围的白矮星。更细致的研究表明：Ia型超新星源于白矮星单简并爆炸或双简并爆炸；Ib、Ic与Ⅱ型超新星中的绝大多数为核坍缩型超新星，极少数为对不稳定超新星。

历史超新星

银河系中大约每100年才产生几颗超新星，但因为尘埃的遮蔽，大部分无法被肉眼观测到。天文望远镜发明之前，人类历史上有可靠历史记录的超新星有8颗，它们都是银河系内爆发的超新星，又被称为“历史超新星（historical supernovae）”。

SN 185是公元185年观测到的超新星，位于圆规座和半人马座之间，靠近南门二。爆发后，连续8个月可以在晚上看到，这是有历史记录的第一个超新星。《后汉书》中对其有记载，可能是研究这个超新星的唯一古代文献（另有罗马文献疑似也记载了这个超新星）。2011年，美国天文学家用多个望远镜观测了这个超新星的遗迹，证实这是一颗Ia型超新星。

此后，公元386、393、1006、1054、1181、1572和1604年又相继发现7颗超新星，中国古代史书都有记载。1604年至今，人类再也没有在银河系中发现超新星。

历史超新星中，SN 1006是最明亮的一颗，最亮时的视星等达到-7.5等，比金星更亮。SN 10543L称为“天关客星”，其遗迹为著名的蟹状星云。SN 1572与SN1604分别被第谷与开普勒详细研究过，因此又称为“第谷超新星”与“开普勒超新星”。在历史超新星中，这4个超新星被研究得最透彻、全面，且记载最可靠。

超亮超新星

借助光学望远镜巡天项目，天文学家每年可观测到数百颗银河系外的超新星。

进入2000年以来，人们通过更加先进的超新星巡天系统，采用无目标巡天模式，发现了一批比以前发现的超新星亮几十倍甚至上百倍的超新星，其真实亮度达到太阳的几百亿甚至上千亿倍，因此被命名为超亮超新星（superluminous supernovae，SLSNe）。它们也被分为I型（至今只发现了Ic型）与II型（绝大多数为IIn型，极少数为IIL型）。

第一个引起轰动的超亮超新星是2006年发现的SN 2006gy，这是一个IIn型超亮超新星。至今为止观测到的最亮超亮超新星是20t5年6月发现的ASASSN-151h（SN 2015L），这是一颗I型超亮超新星，峰值之后15天时，其真实亮度约为太阳的5700亿倍。

超亮超新星引发了新的研究热潮。对它们的能源机制与爆发机制的研究，将帮助人们获得恒星演化与爆炸等多个领域的大量全新知识。