天体物理学课件06超新星
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2020/7/7
塌缩时各点的速度
2020/7/7
反弹时的速度曲线
2020/7/7
激波的能量来自于内核的动能（来自于初 始内核的势能）。
激波扫过之处可有光致裂变过程消耗大量能量。
反弹激波可能产生瞬爆机制，使得超新星爆 发。 反弹激波也可能变为吸积激波，随后在中微
子的加热下复活而产生延迟爆。
2020/7/7
• 1987.2.23爆发于LMC (d = 170,000 ly)，是人类自望 远镜发明以来第一颗凭肉 眼发现的超新星。
• 前身星： Sanduleak --蓝超巨星 M ~ 20 M⊙，L ~ 105 L⊙， T ~ 16,000 K，R ~ 40R⊙
超新星1987A的光变曲线
发
发
现
现
谱
成
线
以上介绍了光致裂变导致铁核塌缩，进而引 起超新星的爆发的过程。
对铁核,降 低热压还 有（主要）
以上过程是通过减少热能导致内部热压的减少， 进而导致引力塌缩。这在平衡核心引力的压力 主要是热压的情形的机制。
2020/7/7
其实引力塌缩还存在以下类型： 在以简并压抵抗引力的星体中，可通过电子 的俘获
导致简并压减少而塌缩。 例如：氧氖镁型白矮星的超新星爆发
2020/7/7
接下来我们讨论塌缩过程
预备知识：
激波是运动气体中的强压缩波。气体中微弱 扰动是以当地音速向四周传播的。物体以亚 音速运动时，扰动传播速度比物体运动速度 大，所以扰动集中不起来，这时整个流场上 流动参数（包括流速、压强等）的分布是连 续的。而当物体以超音速运动时，扰动来不 及传到物体的前面去，结果前面的气体受到 运动物体突跃式的压缩，形成集中的强扰动， 这时出现一个压缩过程的界面，称为激波。
除 Ia 类外，其它超新星可能起源于铁核坍 缩爆发机制，通常相对于 Ia 类具有较大的 质量。
除 Ia 类外，“恒星诞生于旋臂上，由于质量 过大、演化过快，至死还没来得及离开旋臂”。
2020/7/7
Ia 型超新星一般认为是起源于白矮星的 吸积塌缩导致的不稳定核燃烧，Si 是产 物，这类白矮星通常是由碳、氧组成。
碳氧合成大量铁族元素，因为铁族元素比结合能最高。
这种核爆炸会导致整个星体炸光吗？
2020/7/7
炸光星体所需要的能量？
具体数值模拟
总结：
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
§5.3 超新星爆发机制二：引力坍缩
高质量恒星的演化表现 ： O型星→蓝超巨星→黄超巨星→红超巨星→超新星
核坍缩与超新星爆发
当它从伴星吸积物质到一定的程度（约 1.4个太阳质量，将在第七章专门讨论） 时，将发生巨大的热核爆炸，并且不残 留任何致密天体。
Ia 类超新星由于触发爆炸的临界条件相近， 其光度基本接近，可以看作是“标准烛光”
2020/7/7
用于天体距离的测量。 通过 Ia 型超新星的红移效应，发现宇宙可
能加速膨胀的趋势。 超新星宇宙学
2020/7/7
由量子统计知，电子简并压几乎与温度 T 无关， 只是电子密度的函数。因此当核点火开始时，不 会因体积膨胀而释放能量，温度上升很快。 碳氧核合成强烈地依赖于温度，在温度约为1010K 时与 T 的关系正比于 T12. 至电子简并温度时，使体积猛然膨胀，巨大的能量 释放导致这种膨胀最终演化为热核爆炸。
例
• 特征
光度L～107-1010 L⊙，
Lf /LI ～ 108
爆 发 能 E～1047-1052 ergs-1（ 99% 中 微 子 ， 1 % 动 能 ， 0.01%可见光）
膨胀速度v～103-104 kms-1
• 产物
膨胀气壳（超新星遗迹）+ 致 SN 1998aq in the galaxy NGC
遗迹
中国天文学家 RCW 86
中国天文学家
中国天文学家 IC 443
中/阿天文学家 SN 1006
中/日天文学家 Crab Nebula
中/日天文学家 3C 58
Tycho Brahe Tycho
Kepler
Kepler
John lamsteed Cas A
Ian Shelton SN 1987A
§5.5 超新星1987A
核心核反应停止 R c↓Tc↑
Fe核光致离解 4He光致离解
当ρc =ρnu，核坍缩停止 →激波反弹 →壳层抛射
→II型超新星爆发 →中子星
能量损失(若热压 为主)→ Pe↓
R c↓→Tc↑ 星核坍缩
Sequence of Events in a Supernova Explosion
超新星爆发的数值模拟
第五章 超新星
§5.1 超新星简介及其观察特性 §5.2 超新星爆发机制一：不稳定核燃烧 §5.3 超新星爆发机制二：引力坍缩 §5.4 超新星遗迹 §5.5 超新星SN1987A
2020/7/7
Ia 类存在于旋涡星系或椭圆星系中，Ib 类 存在于旋涡星系中。II 型分布于旋涡星系 的旋臂中。
分
蓝
变
移
化
2020/7/7
2020/7/7
§5.2 超新星爆发机制一：不稳定核燃烧
简并物质核燃烧的不稳定性
费米子气简并压平衡星体引力是有限度的。
当星体质量通过吸积大于一极限值时，简并压不 足以支撑星体，导致坍陷，该极限质量称 Chandrasekhar 质量。
引力收缩时，引力能转变为热能。若白矮星的温 度、密度增加到足以导致中心附近点燃核聚变， 则将发生“不稳定核燃烧”型超新星爆发。爆发行 为将与历史相关。
这类超新星爆发的观察： 释放能量---1053 erg 外层带走---1051 erg (可观察得) 其余能量应为辐射所带走。 光子带走1%, 引力子？ 中微子？
2020/7/7
§5.4 超新星遗迹
星系M 51中的SN 1991T • 超新星爆发抛出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物
质和磁场相互作用而形成的气体星云。 • 强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热） 。 2020/7/7
密天体（中子星或黑洞）
3982
2020/7/7
超新星遗迹按形态的分类
2020/7/7
2020/7/7
历史超新星
爆发时间 (AD) 光度极大星等
来自百度文库
185 ?
-8
393
-1
837 ?
-8 ?
1006
-10
1054
-5
1181
-1
1572
-4
1604
-3
1680
5?
1987
2020/7/7
+2.9
发现者
塌缩时各点的速度
2020/7/7
反弹时的速度曲线
2020/7/7
激波的能量来自于内核的动能（来自于初 始内核的势能）。
激波扫过之处可有光致裂变过程消耗大量能量。
反弹激波可能产生瞬爆机制，使得超新星爆 发。 反弹激波也可能变为吸积激波，随后在中微
子的加热下复活而产生延迟爆。
2020/7/7
• 1987.2.23爆发于LMC (d = 170,000 ly)，是人类自望 远镜发明以来第一颗凭肉 眼发现的超新星。
• 前身星： Sanduleak --蓝超巨星 M ~ 20 M⊙，L ~ 105 L⊙， T ~ 16,000 K，R ~ 40R⊙
超新星1987A的光变曲线
发
发
现
现
谱
成
线
以上介绍了光致裂变导致铁核塌缩，进而引 起超新星的爆发的过程。
对铁核,降 低热压还 有（主要）
以上过程是通过减少热能导致内部热压的减少， 进而导致引力塌缩。这在平衡核心引力的压力 主要是热压的情形的机制。
2020/7/7
其实引力塌缩还存在以下类型： 在以简并压抵抗引力的星体中，可通过电子 的俘获
导致简并压减少而塌缩。 例如：氧氖镁型白矮星的超新星爆发
2020/7/7
接下来我们讨论塌缩过程
预备知识：
激波是运动气体中的强压缩波。气体中微弱 扰动是以当地音速向四周传播的。物体以亚 音速运动时，扰动传播速度比物体运动速度 大，所以扰动集中不起来，这时整个流场上 流动参数（包括流速、压强等）的分布是连 续的。而当物体以超音速运动时，扰动来不 及传到物体的前面去，结果前面的气体受到 运动物体突跃式的压缩，形成集中的强扰动， 这时出现一个压缩过程的界面，称为激波。
除 Ia 类外，其它超新星可能起源于铁核坍 缩爆发机制，通常相对于 Ia 类具有较大的 质量。
除 Ia 类外，“恒星诞生于旋臂上，由于质量 过大、演化过快，至死还没来得及离开旋臂”。
2020/7/7
Ia 型超新星一般认为是起源于白矮星的 吸积塌缩导致的不稳定核燃烧，Si 是产 物，这类白矮星通常是由碳、氧组成。
碳氧合成大量铁族元素，因为铁族元素比结合能最高。
这种核爆炸会导致整个星体炸光吗？
2020/7/7
炸光星体所需要的能量？
具体数值模拟
总结：
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
§5.3 超新星爆发机制二：引力坍缩
高质量恒星的演化表现 ： O型星→蓝超巨星→黄超巨星→红超巨星→超新星
核坍缩与超新星爆发
当它从伴星吸积物质到一定的程度（约 1.4个太阳质量，将在第七章专门讨论） 时，将发生巨大的热核爆炸，并且不残 留任何致密天体。
Ia 类超新星由于触发爆炸的临界条件相近， 其光度基本接近，可以看作是“标准烛光”
2020/7/7
用于天体距离的测量。 通过 Ia 型超新星的红移效应，发现宇宙可
能加速膨胀的趋势。 超新星宇宙学
2020/7/7
由量子统计知，电子简并压几乎与温度 T 无关， 只是电子密度的函数。因此当核点火开始时，不 会因体积膨胀而释放能量，温度上升很快。 碳氧核合成强烈地依赖于温度，在温度约为1010K 时与 T 的关系正比于 T12. 至电子简并温度时，使体积猛然膨胀，巨大的能量 释放导致这种膨胀最终演化为热核爆炸。
例
• 特征
光度L～107-1010 L⊙，
Lf /LI ～ 108
爆 发 能 E～1047-1052 ergs-1（ 99% 中 微 子 ， 1 % 动 能 ， 0.01%可见光）
膨胀速度v～103-104 kms-1
• 产物
膨胀气壳（超新星遗迹）+ 致 SN 1998aq in the galaxy NGC
遗迹
中国天文学家 RCW 86
中国天文学家
中国天文学家 IC 443
中/阿天文学家 SN 1006
中/日天文学家 Crab Nebula
中/日天文学家 3C 58
Tycho Brahe Tycho
Kepler
Kepler
John lamsteed Cas A
Ian Shelton SN 1987A
§5.5 超新星1987A
核心核反应停止 R c↓Tc↑
Fe核光致离解 4He光致离解
当ρc =ρnu，核坍缩停止 →激波反弹 →壳层抛射
→II型超新星爆发 →中子星
能量损失(若热压 为主)→ Pe↓
R c↓→Tc↑ 星核坍缩
Sequence of Events in a Supernova Explosion
超新星爆发的数值模拟
第五章 超新星
§5.1 超新星简介及其观察特性 §5.2 超新星爆发机制一：不稳定核燃烧 §5.3 超新星爆发机制二：引力坍缩 §5.4 超新星遗迹 §5.5 超新星SN1987A
2020/7/7
Ia 类存在于旋涡星系或椭圆星系中，Ib 类 存在于旋涡星系中。II 型分布于旋涡星系 的旋臂中。
分
蓝
变
移
化
2020/7/7
2020/7/7
§5.2 超新星爆发机制一：不稳定核燃烧
简并物质核燃烧的不稳定性
费米子气简并压平衡星体引力是有限度的。
当星体质量通过吸积大于一极限值时，简并压不 足以支撑星体，导致坍陷，该极限质量称 Chandrasekhar 质量。
引力收缩时，引力能转变为热能。若白矮星的温 度、密度增加到足以导致中心附近点燃核聚变， 则将发生“不稳定核燃烧”型超新星爆发。爆发行 为将与历史相关。
这类超新星爆发的观察： 释放能量---1053 erg 外层带走---1051 erg (可观察得) 其余能量应为辐射所带走。 光子带走1%, 引力子？ 中微子？
2020/7/7
§5.4 超新星遗迹
星系M 51中的SN 1991T • 超新星爆发抛出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物
质和磁场相互作用而形成的气体星云。 • 强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热） 。 2020/7/7
密天体（中子星或黑洞）
3982
2020/7/7
超新星遗迹按形态的分类
2020/7/7
2020/7/7
历史超新星
爆发时间 (AD) 光度极大星等
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2020/7/7
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发现者