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从超新星到超新星遗迹,如何通过残余物来确定超新星类型?

2019-08-27 点击:622

像我们的人类一样,恒星有自己的生命周期,在它的进化过程中有一个叫做超新星的阶段。当中心逐渐冷却时,由于没有足够的热量来平衡中心重力,结构不平衡将导致恒星坍塌。如果恒星的质量足够大,那么当这种演化接近结束时,它将伴随着剧烈的爆炸。超新星爆炸是宇宙中最猛烈的事件之一,因为爆炸产生的能量产生惊人的辐射光,类似于音爆的冲击波,突然的电磁辐射甚至可以照亮它所在的整个星系。在宇宙中,“暴力事件”有多可能像超新星爆炸一样,科学家如何通过残留的特定碎片来确定超新星的类型?

超新星如何根据光学特征进行分类

在之前的分类中,我们使用碎片的组成来区分超新星爆炸的类型。例如,在爆炸喷射的膨胀碎片中,II型超新星显示出明显的氢气迹象,而Ia型超新星爆炸则没有。后来,科学家改进了这些类型并根据产生超新星的恒星类型对它们进行了分类。 II型,Ib型和Ic型爆炸是由大质量恒星核心的灾难性坍塌引起的,而Ia型超新星则是由突然的热核爆炸引起的,这种爆炸会摧毁白矮星。此外,II型超新星发生在具有大量明亮年轻恒星的区域,例如星系的旋臂。由于椭圆星系由古代低质量恒星支配,它们显然不存在于椭圆星系中。

明亮的年轻恒星,通常质量大于太阳质量10倍的恒星,可以与其他证据结合,得出II型超新星是由大质量恒星产生的结论。虽然有些I型超新星会显示出II型超新星的许多特征,但这些超新星,IB型和IC型,与II型明显不同,因为它们在爆炸前会失去外层的氢包壳。在爆炸前,氢层可能会由于物质的剧烈流出而丢失,或由伴星消失。虽然在每个星系中发生类似超新星爆炸的“剧烈事件”的概率很小,但是每年都会观察到大量的外星超新星事件,因为我们能够观察到许多星系外的星系。0×251d核心坍缩的超新星伴随着能量释放。当恒星的中心或核心的核动力源耗尽时,核心就会坍塌。II型、IB型和IC型超新星也被称为核心碰撞超新星。不到一秒钟,中子星或黑洞就形成了,前提是恒星非常大。中子星的形成将以中微子和热的形式释放出巨大的能量,从而逆转内爆。除了中子星的中心将以超过5000万公里/小时的速度被吹走,因为热核冲击波“竞赛”通过现在正在膨胀的恒星碎片,当较轻的元素合并成较重的元素时,强烈的视觉冲击就像数十亿个太阳。

实质上,主要由碳和氧原子组成的致密球体是最稳定的恒星,只要其质量仍然低于所谓的Chandrasekhar 1.4太阳质量的极限。然而,如果来自伴星的材料增加或与另一颗白矮星合并,它将推动一颗白矮星超过Chandrasekhar 1.4太阳质量的极限。当白矮星的核心温度升高,引发爆炸性的核聚变反应时,会释放出大量的能量。这颗恒星将在大约十秒内爆炸,并且不会留下任何残留物,爆炸产生的放射性“镍”会腐蚀成钴,然后是铁,因此喷射射流将继续发光数周。

由于Ia型超新星出现在质量约为1.4太阳质量的恒星中,因此它们产生的光量大致相同。此属性使它们成为非常有用的距离指示器。例如,如果Ia超新星比另一颗超新星更暗,则它可以计算的数量必须远离。近年来,科学家们还通过使用Ia型超新星确定了宇宙的膨胀率。此外,这项研究引发了令人震惊的发现,即宇宙的膨胀正在加速,最大的原因可能是宇宙中充满了一种叫做暗能量的神秘物质。

不稳定的超新星和宇宙热核爆炸

对于极大的恒星,另一种更猛烈的超新星也是可能的。根据恒星演化理论,当恒星中心区域的温度上升到几十亿度,质量达到140到260之间时,通过核反应将质量转换为能量(E=mc 2)的一般过程是反转,能量是电子对的形式和反电子对,或正电子对,转换为质量。向正电子对产生电子会消耗来自恒星核心的能量,并破坏向外压力和向内压缩之间的平衡。这种所谓的“不稳定的不稳定性”会引起猛烈的脉动,从而弹出恒星的大部分外层并最终在热核爆炸中完全摧毁恒星。

如果存在“不稳定”的超新星,那将是宇宙中最具活力的热核爆炸。在质量大于约260个太阳的恒星中,脉动将被重力淹没,坍塌的恒星将形成一个没有爆炸的黑洞。对于初始质量超过约200个太阳的恒星,“不稳定”的超新星会产生大量的放射性镍。如此大量的镍放射性衰变成钴和其他核,将能量转移到膨胀的碎片中数月,然后形成一个异常明亮的超新星,而超新星的强辐射是可持续的。几个月到几年,然后逐渐消失。

特定残基可以确定超新星类型

与此同时,超新星爆炸(每小时数百万英里)的物质迅速膨胀,最终撞击了星际气体。这种碰撞产生了一种超新星残余物,由热气体和高能粒子组成,通过X射线波长在无线电中发射数千年的光。形成残留物的过程有点类似于由飞机的超音速运动产生的声波臂的极端形式。膨胀的星形碎片产生冲击波,在冲击波之后产生压力和温度的突然变化。此外,前向冲击波将电子和其他带电粒子加速到极高的能量。在冲击波后面的磁场周围螺旋的电子在很宽的波长范围内产生辐射。在无线电波长下,超新星遗迹的辐射特别明显,射电望远镜是发现这些天体的主要工具。

近年来,科学家们还发现了专注于X射线望远镜的超新星遗迹。 X射线是由前向冲击波和反向冲击波产生的,它们加热恒星的碎片或喷流。当冲击波后面的当前高压气体膨胀并推回恒星射流时,形成了反向冲击,钱德拉已经能够探测到许多脉冲星及其相关的脉冲星。这些发现已被证明是识别大质量恒星核心坍缩的超新星遗迹的最佳方法之一,并将其与白矮星(Ia型超新星)的热核破坏产生的残留物区分开来。确定特定残留物来源的另一种方法是研究各种元素,尤其是氧和铁的相对量。例如,核心坍缩的超新星富含氧气,而热核超新星产生相对更多的铁,而第谷和开普勒超新星的残余被认为是由Ia型超新星产生的。

在核心坍缩的超新星中,快速旋转的中子星或脉冲星可以产生脉动的辐射源和高能粒子的磁化星云,以照亮膨胀壳的内部。在最引人注目的例子中,蟹状星云是公元1054年观测到的超新星遗迹;和Chandra对超新星残余Cassiope A(Cas A)的观察清楚地显示了外部冲击波和反向冲击波。加热碎片。天文科学家利用无线电,红外,光学和X射线望远镜研究超新星遗迹,以追踪冲击波的进展以及爆炸过程中弹出的元素的分布。这些数据尤其重要,因为超新星种子星系的主要手段是地球和生命所需的许多元素,如碳,氮,氧,硅和铁。

像我们的人类一样,恒星有自己的生命周期,在它的进化过程中有一个叫做超新星的阶段。当中心逐渐冷却时,由于没有足够的热量来平衡中心重力,结构不平衡将导致恒星坍塌。如果恒星的质量足够大,那么当这种演化接近结束时,它将伴随着剧烈的爆炸。超新星爆炸是宇宙中最猛烈的事件之一,因为爆炸产生的能量产生惊人的辐射光,类似于音爆的冲击波,突然的电磁辐射甚至可以照亮它所在的整个星系。在宇宙中,“暴力事件”有多可能像超新星爆炸一样,科学家如何通过残留的特定碎片来确定超新星的类型?

超新星如何根据光学特征进行分类

在之前的分类中,我们使用碎片的组成来区分超新星爆炸的类型。例如,在爆炸喷射的膨胀碎片中,II型超新星显示出明显的氢气迹象,而Ia型超新星爆炸则没有。后来,科学家改进了这些类型并根据产生超新星的恒星类型对它们进行了分类。 II型,Ib型和Ic型爆炸是由大质量恒星核心的灾难性坍塌引起的,而Ia型超新星则是由突然的热核爆炸引起的,这种爆炸会摧毁白矮星。此外,II型超新星发生在具有大量明亮年轻恒星的区域,例如星系的旋臂。由于椭圆星系由古代低质量恒星支配,它们显然不存在于椭圆星系中。

明亮的年轻恒星,通常是质量大于太阳质量10倍的恒星,可以与其他证据结合起来得出大型恒星产生的II型超新星。虽然某些I型超新星将展示II型超新星的许多特征,但这些超新星Ib型和Ic型明显不同于II型,因为它们在爆炸前失去了外部氢气包层。在爆炸之前,氢气毯可能由于材料的剧烈流出而丢失,或者由伴随的星消失。虽然每个星系中发生诸如超新星爆炸等“暴力事件”的可能性很小,但每年都会观测到大量的外星超新星事件,因为我们能够观测到许多星系外星系。

核心崩塌的超新星伴随着能量释放

当恒星的中心或核心的核动力源耗尽时,核心就会崩溃。 II型,Ib型和Ic型超新星也被称为核心碰撞超新星。在不到一秒的时间内,只要恒星非常大,就会形成中子星或黑洞。中子星的形成将以中微子和热量的形式释放出巨大的能量,从而逆转内爆。除了中子星的中心将以超过5000万公里/小时的速度被吹走,因为热核冲击波通过现在膨胀的星形碎片“竞赛”,当较轻的元素被合并成较重的元素时, a强烈的视觉爆发就像数十亿太阳的光芒。

实质上,主要由碳和氧原子组成的致密球体是最稳定的恒星,只要其质量仍然低于所谓的Chandrasekhar 1.4太阳质量的极限。然而,如果来自伴星的材料增加或与另一颗白矮星合并,它将推动一颗白矮星超过Chandrasekhar 1.4太阳质量的极限。当白矮星的核心温度升高,引发爆炸性的核聚变反应时,会释放出大量的能量。这颗恒星将在大约十秒内爆炸,并且不会留下任何残留物,爆炸产生的放射性“镍”会腐蚀成钴,然后是铁,因此喷射射流将继续发光数周。

由于Ia型超新星出现在质量约为1.4太阳质量的恒星中,因此它们产生的光量大致相同。此属性使它们成为非常有用的距离指示器。例如,如果Ia超新星比另一颗超新星更暗,则它可以计算的数量必须远离。近年来,科学家们还通过使用Ia型超新星确定了宇宙的膨胀率。此外,这项研究引发了令人震惊的发现,即宇宙的膨胀正在加速,最大的原因可能是宇宙中充满了一种叫做暗能量的神秘物质。

不稳定的超新星和宇宙热核爆炸

对于极大的恒星,另一种更猛烈的超新星也是可能的。根据恒星演化理论,当恒星中心区域的温度上升到几十亿度,质量达到140到260之间时,通过核反应将质量转换为能量(E=mc 2)的一般过程是反转,能量是电子对的形式和反电子对,或正电子对,转换为质量。向正电子对产生电子会消耗来自恒星核心的能量,并破坏向外压力和向内压缩之间的平衡。这种所谓的“不稳定的不稳定性”会引起猛烈的脉动,从而弹出恒星的大部分外层并最终在热核爆炸中完全摧毁恒星。

如果存在“不稳定”的超新星,那将是宇宙中最具活力的热核爆炸。在质量大于约260个太阳的恒星中,脉动将被重力淹没,坍塌的恒星将形成一个没有爆炸的黑洞。对于初始质量超过约200个太阳的恒星,“不稳定”的超新星会产生大量的放射性镍。如此大量的镍放射性衰变成钴和其他核,将能量转移到膨胀的碎片中数月,然后形成一个异常明亮的超新星,而超新星的强辐射是可持续的。几个月到几年,然后逐渐消失。

特定残基可以确定超新星类型

与此同时,超新星爆炸(每小时数百万英里)的物质迅速膨胀,最终撞击了星际气体。这种碰撞产生了一种超新星残余物,由热气体和高能粒子组成,通过X射线波长在无线电中发射数千年的光。形成残留物的过程有点类似于由飞机的超音速运动产生的声波臂的极端形式。膨胀的星形碎片产生冲击波,在冲击波之后产生压力和温度的突然变化。此外,前向冲击波将电子和其他带电粒子加速到极高的能量。在冲击波后面的磁场周围螺旋的电子在很宽的波长范围内产生辐射。在无线电波长下,超新星遗迹的辐射特别明显,射电望远镜是发现这些天体的主要工具。

近年来,科学家们还发现了专注于X射线望远镜的超新星遗迹。 X射线是由前向冲击波和反向冲击波产生的,它们加热恒星的碎片或喷流。当冲击波后面的当前高压气体膨胀并推回恒星射流时,形成了反向冲击,钱德拉已经能够探测到许多脉冲星及其相关的脉冲星。这些发现已被证明是识别大质量恒星核心坍缩的超新星遗迹的最佳方法之一,并将其与白矮星(Ia型超新星)的热核破坏产生的残留物区分开来。确定特定残留物来源的另一种方法是研究各种元素,尤其是氧和铁的相对量。例如,核心坍缩的超新星富含氧气,而热核超新星产生相对更多的铁,而第谷和开普勒超新星的残余被认为是由Ia型超新星产生的。

在核心坍缩的超新星中,快速旋转的中子星或脉冲星可以产生脉动的辐射源和高能粒子的磁化星云,以照亮膨胀壳的内部。在最引人注目的例子中,蟹状星云是公元1054年观测到的超新星遗迹;和Chandra对超新星残余Cassiope A(Cas A)的观察清楚地显示了外部冲击波和反向冲击波。加热碎片。天文科学家利用无线电,红外,光学和X射线望远镜研究超新星遗迹,以追踪冲击波的进展以及爆炸过程中弹出的元素的分布。这些数据尤其重要,因为超新星种子星系的主要手段是地球和生命所需的许多元素,如碳,氮,氧,硅和铁。

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