一口气搞懂超新星爆炸的原理

同样是超新星爆炸,其实也有很大的不同,主要体现在恒星的质量之上。要了解这些之前,我们先搞清楚恒星以及它们的燃烧机制。

恒星的燃烧机制

恒星的燃烧机制和我们平时烧个东西是两码事。恒星内部的燃烧机制是核聚变反应。这是由于恒星的质量都比较巨大,比如太阳,太阳占据整个太阳系质量的99.86%。巨大的质量就会产生巨大的引力。太阳的中心就会因为引力的原因,被压得温度特别高。太阳内核的温度可以达到1500万度。

我们都知道,高温高压下,物体的状态会发生变化,通常有固态、液态、气态。但是达到像恒星内核的温度时,物质不再是这三种状态了,而是等离子体。说白了,就是里面没有完整的原子结构,而是电子和原子核到处乱动。

按理说,原子核是带正电的,所以原子核之间会受到库伦斥力的排斥,不容易发生反应。我们在引爆氢弹时,通常是利用原子弹产生的高温来引爆氢弹的核聚变。虽然恒星的内部温度都很高,但距离引爆核聚变反应还有一些距离。

好在有量子隧穿效应的存在,就会有一定的概率发生核聚变反应,这个概率是极其低的。一对氢原子核要10亿年才有可能发生一次核反应。但因为恒星巨大,粒子数够多,才可以引发恒聚变,但速率并不会太快。

因此,恒星内部进行的是“温和”的核聚变反应,不会像氢弹那样一下子全炸了。宇宙中元素的丰度,70%左右都是氢,剩余的大部分是氦,只有不到1%是其他元素。因此,构成恒星的主要都是氢和氦。

一开始的核聚变都是氢核聚变,氢核也就是质子。有两个反应链,一个叫做质子-质子反应,一个叫做碳氮氧循环。整个过程都是氢核通过核聚变反应生成氦-4核。

恒星的死亡

根据恒星的质量不同,恒星的一生也会非常的不同。质量只有0.08个太阳质量~0.5个太阳质量的红矮星,一生只能文火慢炖,主序星时期很久很久,氢烧完之后,由于引力不足以让温度进一步升高引发氦的核聚变,因此,氢烧完后只能等着凉凉,最后成了黑矮星。

而质量更大一点的恒星,比如:质量在0.5~3倍太阳质量的恒星,就会比红矮星更进一步,在引力的作用下,点燃氦的核聚变反应,生成碳、氧。变成一颗红巨星,氦烧完之后,引力对核心作用产生的温度不足以引发碳、氧核聚变反应,它们的最终宿命就是一颗白矮星。

质量再大一些的恒星,比如:3-8倍的太阳质量的恒星。它们在末期还能够引发碳、氧核聚变反应,生成镁、硅、磷、硫等。

其中碳的核聚变反应速度就超级快的,可以说是一闪而过,连一秒都用不到,整个过程被我们称为碳闪。

因为碳的燃烧速度实在太快,所以,此时恒星的外壳会被炸开,这就是Ia超新星爆炸的一种。在爆炸的过程当中,恒星的物质会被抛洒到太阳当中。

如果恒星的质量比较小,那只留下一个质量很小的内核,最后形成白矮星;如果恒星的质量比较大,就会炸得啥都不剩。在这种情况下,还有另外一种更常见的,这个恒星旁边有一颗伴星,当它形成白矮星时,而伴星发展到红巨星,这时候主星就会通过引力将伴星的质量吸积到自己身上,获得了多余的质量之后,达到引爆超新星爆炸的条件,于是就炸开了。

当然,上面这些还不是最猛的。更猛的是质量大于8倍太阳质量的恒星。它们不会发生碳闪,而可以让燃烧碳进行得很平稳,碳燃烧完之后产生镁、硅、磷、硫,氖,钠等,这时候这些恒星的内核一般都能达到10亿度左右,而氧燃烧生成硅、磷、硫。

后来,当碳氧烧完之后,在引力作用下,内核继续升温,达到20亿度时,会继续燃烧镁、硅、磷、硫,氖,钠等原子核。继续下去,温度达到35亿度时,就会光裂变反应硅燃烧。紧接着硅燃烧的产物还会和氦聚合成更重的原子核。

最后,会产生铁。不过这里补充一句,很多人以为此时恒星内部只有铁,其实这并不对,其实此时还有少量的钴、镍、铜、锌元素。所以,这些恒星内部是存在比铁原子序数更大的原子核。

而铁原子核是比结合能最大的元素,它的核聚变不仅需要外接提供能量,而且产生的能量很少。因此,到了“铁”这里就基本上到头了。而此时,这类恒星的温度还会进一步上升,当达到40亿度时,光子就会获得特别高的能量,然后传到铁原子核内部,将铁原子核击碎,并释放出大量的质子和中子,质子遇到电子后,就会发生结合成中子,释放出中微子。由于引力特别大,因此这些物质在引力的作用下迅速坍缩,核心要么成了一个中子星要么就是黑洞。同时,引发II超新星爆炸。

以上,其实就是Ia型超新星爆炸和II超新星爆炸的原理。