超新星里的冠军

大科技杂志社
2025-04-02 17:40 来自海南省

夜空中有些恒星很黯淡,人们无法用肉眼看到它们。但是,有些恒星会突然爆发,亮度瞬间增加千万乃至数十亿倍,突然在人们眼前显山露水。古代人误以为这些恒星是新出现的,所以称它们是新星或者客星。

后来人们发现,这些突然变亮的恒星也有高下之分,有比普通新星还要亮得多的超新星。而有的超新星爆发时释放出的能量格外强大,比起一般的超新星还要明亮百倍。天文学家索性把它们叫做“超超新星”,以和别的超新星有所区别。

点燃超新星的引信

超超新星能够鹤立鸡群,是因为它们本来都是质量超级大的恒星。巨大的质量不但让它们爆发时亮度惊人,也使得它们的爆发方式和普通超新星有所不同。

新星往往是那些带有伴星的白矮星。它们本身已经耗尽了自己的核燃料——氢,停止了聚变反应,却会不断从伴星那里夺取氢等物质。当氢聚集到一定程度,就会引发一次失控的聚变反应,如同在白矮星上面引爆了一颗超大号氢弹,使得它在短时间内亮度大幅度提高。

而超新星有很多都是大质量恒星临终前的产物,这些恒星质量巨大,核心温度极高,所以聚变反应的反应物可以一直从轻元素“燃烧”到重元素,直到形成铁元素。到这时,恒星的发动机已经耗尽了燃料,无法再产生光和热了。

恒星核心温度下降,导致自身气体压力降低,在引力作用下,恒星核心剧烈坍缩。当核心中心区域物质中的原子核都贴在了一起,已经再没压缩的余地时候,核心外层的物质仍然在以极高的速度落下来,结果只能被弹回去。反弹产生的强烈冲击波把恒星的外壳整个吹飞掉,形成了剧烈的爆炸。超新星爆发之后,往往核心会留下,形成某种密度非常大的天体,例如中子星或黑洞。

能量转化为物质

超超新星同样是大质量恒星演化的产物,只是它们的质量还要更大一些,爆发的过程比较类似第二种超新星,也是核心被引力压扁了,不过导致核心温度降低、压力下降的原因却有所不同。超超新星质量非常大,所以核心的温度要更高,在这种特殊的环境下,发生了特殊的事件。

爱因斯坦著名的质能方程E=mC2说明,物质和能量其实是等价的,可以互相转化。我们平时遇到的例子大多是物质转化为能量,例如聚变、裂变和正反物质湮灭之类的事件。而当光子的能量极高的时候,例如在超大质量恒星的核心中,能量可以反过来竟然可以转化为物质!

光子会变成正负电子对,能量变成了物质。结果就会导致恒星核心温度迅速降低,压力减小,开始坍缩。同一般的核坍缩超新星不同,这类恒星的核心发生坍缩的时候,核燃烧其实还没有进行到铁核这一步,也就是还没烧完,于是整个恒星的核燃料在坍缩时被一起引爆,导致了超超新星爆发。

超超新星是由于光子变成了正负电子对而崩溃的,这样的爆发会彻底毁灭掉整颗恒星,不留下中子星或黑洞之类的遗物。

超超新星不但爆发时发出的光极强,爆发维持的时间也要比普通超新星更长一些。天文学家在2007年就发现了一颗这样的超新星。它爆发时候的亮度要远超一般超新星,而且持续了500多天才渐渐消失。另外它的光谱也显示了失控核爆炸留下的痕迹,即产生了大量镍的放射性同位素。天文学家推测,这颗超超新星的前身恒星的质量,至少也要相当于200个太阳的质量。

超超新星:曾经很流行

现在的宇宙中,太阳这类中小质量恒星占据着主流,大质量恒星,特别是有潜力成为超超新星的恒星是非常稀有的,所以超超新星也并不多见。不过在数十亿年前,早期宇宙中的物质都是氢和氦,缺乏更重的元素。在这样的环境下诞生的第一代恒星和现在的恒星不同,多数都是上百个太阳质量的庞然大物。在第一代恒星的核心中,就会发生能量转化为物质的反应,使得它们在迅速度过短暂的一生之后,发展成为超超新星。

所以,研究如今稀有的超超新星,有助于天文学家了解第一代恒星的演化,并追忆宇宙的过去时光。

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