课件5.1:核心坍缩超新星

上周,我们了解了中子星是如何变成致密的恒星物体的,当大质量恒星以核心坍缩超新星的状态激烈地结束生命时留下了中子星。本周我们将探索解释这种巨大爆炸的物理过程。

正如我们在恒星演化文章中所讨论的,在一颗大质量恒星的核心中氢耗尽后,核心及其周围会发生连续的聚变阶段。下图描绘了这些区域的元素组成,较重的元素出现在靠近核心的位置。这通常被称为洋葱皮化妆(onion-skin make-up),但这是一个非常简化的视图,因为随着恒星的演化,有时会在层之间混合。此外,在某些层中还有其他元素(例如硫),但总体思路适用。尤其要密切注意被硅硫燃烧材料外壳包裹的铁芯。这个壳会产生更多的铁,从而增加核心的质量。与恒星演化的所有其他阶段不同,最后阶段是元素融合的火焰在核心熄灭。

洋葱皮

这一命运是由以下事实保证的:与之前所有产生能量的核聚变阶段不同,铁需要能量才能融合成更重的元素。从某种意义上说,核心变成了一个巨大的能量阱(energy sink),当它的质量接近钱德拉塞卡质量极限(~1.4M⊙)时,原子变得相对论(除了电子简并外(ps,估计是指相对论简并性)),核心开始坍缩,无法施加所需的向外压力来抵抗向恒星中心的引力。

恒星的核心(大约与地球一样大)会坍缩,直到中子简并压力可以平衡重力压力。至此,核心大约有曼哈顿那么大(~10 公里)。让我们暂停一下动作来详细解释坍缩。

随着核心坍塌,所有质子通过许多物理过程转化为中子。最简单的过程是逆β衰变,其中质子与电子结合成为中子(电中性是因为电子和质子具有完全相同大小的电荷但符号相反)。除了形成中子外,还会发射中微子。把中微子想象成近乎无质量、无电荷的电子灵魂(电子已经不复存在);在这种情况下,它将是一个电子中微子,通常表示为ν_e-。超新星1987A在大麦哲伦星云中爆炸后,在中微子探测实验中以异常高的探测率探测到大量中微子流,这些实验过去(现在仍然)位于地下深处,以屏蔽与宇宙事件无关的虚假探测。我们可以用一个简单的方程直观地表示这种核衰变:
p+e^−⟶n+ν_e−
(请注意,对于这样形成的每个中子,也会产生一个中微子)。现在,我们从前面暂停动作的地方开始:核心达到了最小尺寸(大约10公里),但随后它开始反弹。当它反弹时,产生冲击波到也试图落入中心的恒星物质中。在这次反弹之后,核心将再次坍塌,但这一次它更多是(或被锁定为)完全形成的中子星。在某些方面,这类似于敲响的钟声。

同时,冲击波穿过下落的恒星物质,并因中子星形成产生的巨大中微子通量而增强。这种冲击波在我们称之为超新星的事件中撕裂了恒星。下图是II型超新星维基百科页面上的精彩漫画和说明,描绘了核心坍缩的各个阶段。
“在一颗巨大的、进化的恒星内(a),洋葱层状的元素壳发生聚变,形成一个镍铁核(b),达到钱德拉塞卡质量并开始坍缩。核的内部被压缩成中子( c), 导致下落的物质反弹 (d) 并形成向外传播的激波前沿 (红色)。激波开始停止 (e),但它被中微子相互作用重新激活。周围的物质被炸开 (f ),只留下一个简并的遗迹”。
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