超新星：塑造宇宙的爆炸

第谷超新星（SN 1572） — 丹麦天文学家 **第谷·布拉赫**（1546-1601）超新星遗迹的合成图像。该 **Ia型** 超新星于1572年11月11日在仙后座首次被观测到，肉眼可见，其亮度超过了金星。根据所使用的测量方法，其遗迹目前估计距离地球约8,000至13,000光年。
图片来源：钱德拉X射线天文台（新窗口）。

科学摘要

本文将 超新星 描述为标志着恒星生命终结的灾难性爆炸，在几秒钟内释放出 10⁴⁴ 至 10⁴⁶ 焦耳 的能量，相当于太阳在100亿年间释放能量的10,000至100,000倍。文章详细介绍了现代超新星分类：由白矮星爆炸产生的 Ia型热核超新星，以及由大质量恒星死亡产生的 核坍缩超新星（Ib、Ic和II型），并根据它们在爆炸前保留或失去的外层进行区分。文章还提到了更极端的 超超新星 和 伽马射线暴 现象，以及SN 1987A中微子的历史性探测，强调了超新星在重元素（如金或铀）的 核合成 及其向星际介质扩散过程中的关键作用。

什么是超新星，它在宇宙化学元素形成中扮演什么基本角色？

超新星 远不止是简单的恒星爆炸：它是宇宙中能量最高的事件之一，充当着一个真正的核熔炉。文章解释说，这些爆炸根据两种根本不同的物理机制发生。第一种称为 核坍缩，涉及大质量恒星（至少是太阳质量的八倍），当聚变反应停止时，其核心在自身重量下坍缩，形成中子星或黑洞，同时外层被猛烈抛射出去；根据恒星在爆炸前保留的氢和氦的数量，这种机制产生II型、Ib型或Ic型超新星。第二种机制称为热核，涉及双星系统中的白矮星，它通过吸积伴星的物质，达到接近太阳质量1.4倍的临界质量，然后完全爆炸，不留下任何致密残骸：这就是Ia型超新星。这些现象对于我们理解宇宙至关重要的原因是，它们能够在极端温度和压力条件下产生大部分 比铁重的化学元素。如果没有超新星，碳、氧、铁、金或铀等基本元素将不会被扩散到太空中，岩石行星乃至生命本身也无法出现。

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超新星的形成过程

核坍缩超新星发生在大质量恒星（通常至少是太阳质量的八倍）的核心坍缩之后。当恒星的核燃料耗尽时，核聚变反应产生的压力不再足以抵抗恒星的引力，导致其核心在几分之一秒内坍缩。

由此产生的致密核心可能变成中子星，或者对于质量最大的恒星，变成黑洞，同时恒星的外层以每秒数万公里的速度被抛入太空，从而形成超新星。

不同类型的超新星

超新星的观测分类基于其光谱中某些谱线的存在与否，特别是氢的谱线。这种分类与两种物理爆炸机制部分重叠，但并不完全吻合。

Ia型：白矮星的热核爆炸

Ia型 超新星的光谱中没有氢谱线。它们是双星系统中一颗碳-氧 白矮星 完全热核爆炸的结果，该白矮星从伴星吸积物质，直到接近钱德拉塞卡极限（约1.4倍太阳质量）。整个恒星随后被摧毁：与其他类型不同，没有致密残骸（中子星或黑洞）留下。它们峰值时非常均匀的光度使其成为测量宇宙距离的 标准烛光，这促成了宇宙加速膨胀的发现。

Ib型和Ic型：失去外壳的大质量恒星

Ib型 和 Ic型 超新星同样没有氢谱线；仅凭这一标准，它们长期以来可能被误认为是Ia型。然而，它们却源自完全不同的机制：大质量恒星的 核坍缩，该恒星通过强烈的恒星风或向伴星转移物质，失去了其外部氢包层（对于Ic型，还失去了氦包层）。Ib型在其光谱中保留了氦谱线，而Ic型则连氦谱线也失去了。

II型：保留了氢的大质量恒星核坍缩

II型 超新星与Ib型和Ic型一样，源自大质量恒星的核坍缩，但这颗恒星保留了其氢包层的相当一部分，其谱线清晰地出现在光谱中。它们在旋涡星系的近期恒星形成区域更为常见。

注意：
一个常见的误解是将“I型”系统地与“白矮星爆炸”关联，将“II型”与“核坍缩”关联。这种等价性仅对Ia型（白矮星）和II型成立：Ib型和Ic型虽然由于光谱中缺乏氢而被归类为I型超新星，但确实与II型一样，是大质量恒星核坍缩的结果。

超级爆炸：超越超新星的现象

超级爆炸指的是比超新星更极端的事件，通常与超超新星或伽马射线暴（GRB）等现象有关。超超新星是一种特别强大的核坍缩超新星，产生的能量远高于经典超新星，通常与超大质量恒星直接坍缩成黑洞有关。

另一方面，伽马射线暴是极其强烈和短暂的能量释放，在几秒到几分钟内可以超过整个星系的亮度。所谓的“长”伽马射线暴与快速旋转的大质量恒星核心坍缩形成黑洞有关，而“短”伽马射线暴则通常来自两颗中子星的合并。

超新星释放的能量

通常，一颗超新星释放的天文能量在 10⁴⁴ 到 10⁴⁶ 焦耳量级。这些能量绝大部分（在核坍缩的情况下超过99%）以中微子形式发射，其余部分分布在抛射物质的动能和可见电磁辐射中。这相当于我们的太阳在其整个生命周期（约100亿年）中释放能量的约10,000至100,000倍。

超新星的持续时间

超新星并非瞬间事件，尽管从天文学角度看它进展迅速。核心坍缩本身持续几分之一秒，但可见光的亮度在几天到几周内达到峰值，然后在几个月内衰减。爆炸的残留物，称为 超新星遗迹，会持续数千年发射光和能量，并逐渐在星际介质中膨胀。

从地球观测到的历史超新星

在我们银河系或附近发生的一些超新星，因其直接观测而载入了天文学史册。

SN 1572，第谷·布拉赫的超新星

这颗超新星于1572年11月11日在仙后座首次被观测到，以丹麦天文学家第谷·布拉赫的名字命名。他对该星位置的精确测量表明它位于月球天球之外，这反驳了亚里士多德关于天体永恒不变的教条。对周围尘埃反射光（爆炸四个多世纪后观测到的“光回声”）的光谱分析在2008年证实，这是一颗标准的 Ia型 热核超新星。根据测量方法，其遗迹位于距离地球约8,000至13,000光年之间。

SN 1987A，开启中微子天文学时代的超新星

1987年2月23日，位于距离银河系约160,000光年的卫星星系——大麦哲伦星云中的一颗蓝超巨星坍缩，产生了II型超新星 SN 1987A。在其可见光被探测到前约三小时，来自恒星核心坍缩的约二十个中微子被神冈-II（日本）、IMB（美国）和巴克桑（俄罗斯）的探测器捕获，这是历史性的第一次，从实验上证实了核心坍缩的理论模型，并催生了中微子天文学。

一些著名超新星的比较表

下表比较了一些记录最完整的超新星，无论是历史上观测到的，还是最近通过其遗迹（爆炸残骸，持续数月发射光和能量）识别的。

一些历史和现代超新星的比较
超新星	年份	星座	类型	距离	峰值视星等	残骸
SN 1006	1006	豺狼座	Ia（热核）	~7,200光年	~-7.5（有记录以来最亮）	无致密残骸；残骸 SNR G327.6+14.6
SN 1054（蟹状）	1054	金牛座	II（核坍缩）	~6,500光年	~-6	蟹状脉冲星，位于蟹状星云内
SN 1181	1181	仙后座	Iax（白矮星合并，次亮度）	~7,500-10,000光年	~0 至 -1.4	幸存恒星（“帕克星”），位于残骸 Pa 30 内
SN 1572（第谷）	1572	仙后座	Ia（热核）	~8,000-13,000光年	~-4	无致密残骸；残骸 3C 10
SN 1604（开普勒）	1604	蛇夫座	Ia（热核）	<20,000光年	~-2.25 至 -2.5	无致密残骸；壳层状残骸
SN 1987A	1987	剑鱼座（大麦哲伦星云）	II（核坍缩）	~160,000-168,000光年	~2.9	致密残骸仍在争论中；首次探测到中微子

注意：
SN 1181 长期以来是唯一没有确定遗迹的历史超新星；其与 Pa 30 星云的关联直到2021年才基于当时中国和日本观测推断出的位置、年龄和亮度得以确立。

超新星对宇宙的影响

重元素的核合成

超新星在重元素形成中起着至关重要的作用，同时也参与许多同位素、离子和其他化学物种的形成。由于这些爆炸中存在的极高温度和极端压力条件，会产生各种各样的元素、离子化形式和同位素。一些最重的元素，如金、铅或铀，可能更多地是在中子星合并期间通过快速中子捕获过程（r过程）产生的，这是自2017年GW170817事件观测以来确定的一种补充超新星的现象。所有这些元素一旦形成，就会被扩散到太空中，从而丰富星际介质。这有助于新的恒星、行星和太阳系的形成，并使得构成行星和生命的物质得以形成。

喷出气体中的分子形成

虽然复杂分子的形成在较冷的条件下（如分子云）更为常见，但超新星也可以引发喷出气体中某些分子的形成，特别是简单分子如一氧化碳（CO）或二氧化碳（CO2），以及宇宙尘埃颗粒。

参考文献

Krause, O. et al. (2008). Tycho Brahe's 1572 supernova as a standard type Ia explosion revealed from its light echo spectrum, Nature, 456, 617-619. DOI: 10.1038/nature07608 （新窗口）
Hirata, K. et al. (1987). Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A, Physical Review Letters, 58(14), 1490-1493. DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1490 （新窗口）
Chandra X-ray Observatory (NASA) — 第谷超新星遗迹（新窗口）
NASA Science — 超新星（新窗口）
ESA/Hubble — 超新星（新窗口）

FAQ：关于超新星的一切

Ia型超新星和II型超新星有什么区别？

主要区别在于物理机制以及其光谱中氢谱线的存在与否。II型 超新星源自 大质量恒星（至少是太阳质量的八倍）的核坍缩，该恒星保留了其氢包层，并显示氢谱线。而 Ia型 超新星的光谱中没有氢，是由双星系统中的 白矮星 通过 吸积物质 引发完全热核爆炸所致，不留下致密残骸。

如果Ib型和Ic型超新星不是白矮星爆炸，为什么它们没有氢？

与常见的误解相反，光谱中缺乏氢并不一定意味着白矮星。Ib型 和 Ic型 超新星与II型一样，源自大质量恒星的 核坍缩，但这颗恒星在爆炸前通过强烈的恒星风或向伴星转移物质，失去了其外部氢包层（对于Ic型，还包括氦包层）。

什么是超超新星？它和经典超新星有何不同？

超超新星 是一种 极其强大 的核坍缩爆炸，比经典超新星能量高得多。文章将其描述为超越超新星的现象，通常与 长伽马射线暴（GRB）有关。它释放出惊人的能量，与超大质量、快速旋转的恒星核心直接坍缩形成黑洞有关。

哪些超新星是从地球直接观测到的？

有两个事件特别标记了天文学史：SN 1572，即“第谷·布拉赫超新星”，在我们的银河系中用肉眼观测到，此后被确认为Ia型超新星；以及 SN 1987A，于1987年在大麦哲伦星云发生，其在可见光之前几小时的中微子探测开创了中微子天文学。

为什么超新星对行星和生命的形成至关重要？

超新星扮演着 “宇宙熔炉” 的关键角色。在爆炸过程中，极端条件允许从碳到金，包括铁的许多元素的 核合成，其中一些最重的元素也在中子星合并期间产生。然后这些元素被 扩散到太空 中，丰富星际介质。正是从这些丰富的物质中，形成了新一代的恒星、行星，并可能诞生生命。