1、恒星演化与核合成恒星演化与核合成(彭秋和彭秋和)1.有关恒星物理的基本预备知识有关恒星物理的基本预备知识2.恒星结构恒星结构的的多层球理论多层球理论3.恒星的热核演化恒星的热核演化 4.两类超新星及其爆发机制两类超新星及其爆发机制一、超新星一、超新星(SN)分类分类 观测上的区别观测上的区别二、二、SNII 爆发图象及其爆发理论上的困难爆发图象及其爆发理论上的困难三、三、SNIa爆发图象及其爆发理论上的疑难问题爆发图象及其爆发理论上的疑难问题1.有关恒星物理的基本预备知识有关恒星物理的基本预备知识 亮度与星等亮度与星等 恒星表面的有效温度恒星表面的有效温度 色温度与恒星的颜色色温度与恒星的颜色
2、 恒星的光谱型恒星的光谱型 赫罗图赫罗图亮度与星等亮度与星等视星等视星等(m):把肉眼看到的恒星视亮度分为把肉眼看到的恒星视亮度分为6个星等个星等,m=0,1,2愈亮的星愈亮的星,星等值愈小。星等值愈小。视星等相差视星等相差5等等,亮度相差亮度相差100倍。倍。绝对星等绝对星等(M):设想把所有恒星都放在离地球设想把所有恒星都放在离地球10pc距离上处，它们的距离上处，它们的 视星等数值视星等数值 (1pc(秒差距秒差距)=3.26 光年光年 3.011018 cm)2d4LIL 光度光度;I 照度照度(视亮度视亮度);d 距离距离),(log55dlbAdmM(A(b,l,d)星际消光的改正
3、星际消光的改正)2.5log(/)4.26mML LMM 恒星表面的有效温度恒星表面的有效温度恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射。由斯提芬恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射。由斯提芬-波尔波尔兹曼定律兹曼定律(R:恒星半径恒星半径)由此定义恒星表面有效温度由此定义恒星表面有效温度Teff。其中斯提其中斯提芬芬-波尔兹曼常数为波尔兹曼常数为=5.6710-5ergcm-2K-4sec-1 通常，天文学家通过恒星光谱的观测与分析，可以很好地通常，天文学家通过恒星光谱的观测与分析，可以很好地确定恒星表面的色温度。确定恒星表面的色温度。424effTRLRigel参宿七Betelgeuse猎户星座中的
4、一等星色温度色温度(The Color Temperature)max0.51T恒星的颜色反映了恒星的表面温度的高低。温度越高（低），颜色越蓝（红）。恒星的颜色恒星的颜色:Teff Blue-violet 30,000 blue 20,000 white 10,000 yellow white 7000 yellow 6000 orange 4000 red 3000 865.0K 8540cTVBc色指数色指数色温度色温度较准确的经验公式为：较准确的经验公式为：主序星 K68.0)(746VBTe巨 星 9000K()1.15eTBV若是严格的黑体辐射。则色温度=有效温度，但往往二者有差别，
5、一般定义的色温度都略高于有效温度，特别当恒星表面温度非常高时。Other temperature-color relation:T=8065-3580(B-V)(1.0-0.196 Fe/H);(0.3B-V 25,000蓝紫强电离He线，重元素多次电离线，无氢线。B11,000 25,000蓝白中性He线，重元素一次电离线，很弱的H线A7,50011,000白强H线，重元素一次电离线（如 Ca+）F6,000 7,000黄白重元素一次电离线，弱H线和中性金属线G5,000 6,000黄强重元素一次电离线，中性金属线K3,500 5,000红橙强中性金属线，重元素一次电离线M 4/3 系统稳定
6、系统稳定 4/3 系统不稳定系统不稳定 =4/3 临界状态临界状态(牛顿引力论牛顿引力论)=4/3 不稳定不稳定(广义相对引力论广义相对引力论)部分电离部分电离(H,He)气体，当电离度在气体，当电离度在(5 95)%之间情形下之间情形下,可以变得远小于可以变得远小于4/3,气体系统比热可以比完全中性气体系统比热可以比完全中性(或完全电离或完全电离)气体系统的比热高气体系统的比热高15-20倍。倍。多层球的基本方程多层球的基本方程.4122GdrdPrdrdrndddd2122)(4)(rdrrdmrGmdrdPr由由合并为合并为nKP11结合状态方程结合状态方程再作变数变换再作变数变换(同时
7、将方程无量纲化同时将方程无量纲化):ncr,1/2(1)/2(1)4nncnKGLane-Emden 方程方程0(0)1,0dd(边界条件边界条件)(n当状态方程确定后，己知多方指标当状态方程确定后，己知多方指标n,就决定了就决定了Emden函数函数Lane-EmdenLane-Emden函数有关常数值函数有关常数值 n 注 0 2.44942.4494 4.89884.89881.00001.0000均匀分布模型均匀分布模型0.50.52.75282.75283.78713.78711.83611.83611.01.03.141593.141593.141593.141593.289873.
8、289871.51.53.653753.653752.714062.714065.990715.99071 =5/3=5/33.03.06.896856.896852.018242.0182454.182554.1825=4/3=4/3（牛顿临界稳定）（牛顿临界稳定）4.014.971551.79723622.4085.01.73205物质无限地向中物质无限地向中心聚集半径向外心聚集半径向外无限延伸无限延伸11)(21ddnc多层球的物理性质多层球的物理性质1()0n 1/2(1)/2(1)4nncnKGEmden 函数的第函数的第1个零点对应于恒星外边界个零点对应于恒星外边界(半径半径)位置
9、位置恒星半径恒星半径1R32()4ncdmd 122)3(234)1(4ddGKnMnnnc恒星质量恒星质量20()4()rm rrr dr极端相对论性电子简并系统极端相对论性电子简并系统(大质量白矮星大质量白矮星):n=3极大质量极大质量(Chandrasekhar 极限质量极限质量)2225.805.801.45()0.5cheSuneSuneSunMMY MYM辐射压的重要性辐射压的重要性314413akNKA()1grPaPPP为辐射常数(它随星体质量增加而增加)2)(10.18MM4/3PK单原子理想气体和辐射场混合系统单原子理想气体和辐射场混合系统星体的质量愈大，辐射压所占的比例星
10、体的质量愈大，辐射压所占的比例(1-)愈大，气体压强比例愈大，气体压强比例()愈小愈小，比例常数，比例常数K值愈大。由理想气体和辐射组成的混合气体并不值愈大。由理想气体和辐射组成的混合气体并不能完全看为能完全看为=4/3 的多层球。的多层球。Eddington的标准模型的标准模型:n=3，在恒星内部，在恒星内部 =Pg/P=const.）低质量恒星低质量恒星,（1-）非常小）非常小 23)(101)1(MM对于质量非常大的恒星，辐射压强远远超过气体压强对于质量非常大的恒星，辐射压强远远超过气体压强,021)100(42.0MM物质平均密度与中心压强物质平均密度与中心压强物质平均密度物质平均密度
11、 113ddnc(与与K无关无关)343RMcc2/3RM(对上半主序星（质量较大）对上半主序星（质量较大）)1,()ccMM对（小质量）下半主序星对（小质量）下半主序星,类似规律类似规律31/4.1cmgMM1122424172,4(1)1.24 10ncnndGMPWWnRdMRMR 达因厘米中心压强中心压强:通常的主序星通常的主序星,质量愈大的恒星质量愈大的恒星,中心密度愈低。中心密度愈低。恒星的中心温度恒星的中心温度对于理想的完全电离非退化气体和辐射场的混合体系对于理想的完全电离非退化气体和辐射场的混合体系,中心温度中心温度.)1()(1RGMddkNnPkNTnAccAc对上半主序星
12、（质量较大）对上半主序星（质量较大）2/3RM1/31cTM如果取对化学成分如果取对化学成分：X=0.5,Y0.5,0.771/31.4 10()()cMTKM对上半主序星对下半主序对下半主序(小质量小质量)恒星恒星,类似规律。类似规律。恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的。一般来说，恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的。一般来说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高。例如，对处于稳定氢燃烧阶质量愈大的恒星，其中心温度愈高。例如，对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为:,tcMT)2131(t Mc)12
13、1(太阳太阳:Tc 1.5107 K质量很大的主序星质量很大的主序星(例例Wolf-Rayet 星星M(30-50)M 的氢燃烧阶段的氢燃烧阶段):Tc(7-9)107 K 点燃核燃烧的条件点燃核燃烧的条件热核燃烧点火条件热核燃烧点火条件:Tc:星体中心温度星体中心温度;Tnuc:核燃烧的点火温度核燃烧的点火温度热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以从入热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以从入射核的热运动能射核的热运动能(考虑隧道效应考虑隧道效应)大约等于库仑位垒高度的大约等于库仑位垒高度的(1-2)10-4来估算来估算:nuccTT 库仑EkTnucMeVA
14、ZZReZZEnuc312122120库仑)10)21(4点燃核燃烧的恒星质量下限点燃核燃烧的恒星质量下限推论推论:只有当恒星质量大於某一确定值时只有当恒星质量大於某一确定值时tnucEMM1库仑它才可能点燃相应的热核燃烧。它才可能点燃相应的热核燃烧。随着参与反应的原子核的核电荷增长随着参与反应的原子核的核电荷增长,其间库仑位垒迅速增加其间库仑位垒迅速增加,上式上式中的中的Mnuc也随之增加。也随之增加。因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们
15、的核燃烧是不完全的。的核燃烧是不完全的。电子简并压强在星体热核演化的重要作用电子简并压强在星体热核演化的重要作用 在原始恒星中在原始恒星中,小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云引力收缩引力收缩,原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着进一步增加。所以，进一步增加。所以，对于质量太小的恒星对于质量太小的恒星(例如，当恒星质量低于例如，当恒星质量低于0.07 M 时时)，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度(1.0107K)时时,其物质密度也
16、因星体收缩而远远超过了电子简并条其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条件的密度值件的密度值2384)10(108.2KTD此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类光度
17、很低的恒星称为褐矮星光度很低的恒星称为褐矮星(Brown Star)耀星和氦闪耀星和氦闪在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度 Tc达到达到H燃烧大规燃烧大规模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸性的性的H燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为
18、它正是这测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为它正是这种正在形成的小质量恒星在弱种正在形成的小质量恒星在弱(电子电子)简并状态下氢燃烧开始点火时简并状态下氢燃烧开始点火时出现的氢闪现象出现的氢闪现象,称为称为耀星耀星。对于中、小质量恒星对于中、小质量恒星(0.5 (M/M)2.2),)2.2)2.2)从从H H燃烧较平稳地转变为燃烧较平稳地转变为HeHe燃烧阶段。燃烧阶段。恒星内部的平稳核燃烧恒星内部的平稳核燃烧核核燃燃烧烧核核燃燃料料 主要主要 产物产物 Tnuc (0K)g/cm3 产能率产能率释能率释能率(erg/g)燃烧时标燃烧时标(年年)H燃烧燃烧 1H 4He (14N
19、)(CNO)(1-2)E7(PP)2.0 E7(CNO)102T4(PP链链)(T7=1.4）T16.7(CNO)(T7=2.0)6.4 E 181E12(0.2 M)1.2 E10 (1M)1 E7(15 M)1 E5(50 M)He燃烧燃烧 4He12C(中小质中小质量恒星量恒星)16O (22Ne)1-3 E8103-104 T40(T8=1.0)12C+16O)2 E5(T8=1.3)4 E3(T8=1.5)(=1.0E4)C燃烧燃烧 12C20-22Ne(23Na)24-26Mg(27Al)28Si8.8 E8(1-2)E5T27(T9=1.0)4.0 E1712 年年(无对流无对流
20、)Ne燃烧燃烧 20Ne16O,24Mg(Mg-P）1.5 E91 E6T49(T9=1.5)1.1E17 40 天天(无对流无对流)几年几年(对流对流)O燃烧燃烧 16O24Mg-32S(直到铁族元素直到铁族元素)2.1 E9(3-5)E6T33(T9=2.0)5.0 E176 天天(对流对流)Si燃烧燃烧24Mg-32S铁族铁族元素元素3.5 E91 E7T47(T9=3.5)1.9 E17几小时几小时(无对流无对流)1 天天(对流对流)nT3.恒星的热核演化恒星的热核演化 太阳太阳 太阳内部主要热核反应太阳内部主要热核反应 PP反应链反应链(H-燃烧燃烧)太阳中微子问题太阳中微子问题 C
21、NO循环循环(中、大质量主序星内部中、大质量主序星内部H-燃烧燃烧)太阳太阳R地球地球 6370 公里公里 1 g/cm3 太阳状况太阳状况Tc(1.4-1.5)(1.4-1.5)10107 7 K Kc c(50-100)g/cm3H:X0.68He:Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素以上重元素)太阳能源太阳能源 从很远处看从很远处看,太阳是一个黄色的矮星太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。4 1H 4He由由Einstein 的质量的质量-能量关系式能量关系式 E=Mc2M c2=4 M(1H)M(4He)c2 =26.73 M
22、eV同时释放同时释放26.73 MeV的能量。的能量。(续)太阳内部每秒钟都有太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦炸过程中转化为氦,正是由于这种热核燃烧维持着正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。太阳巨大的光度。太阳内部这样规模的热核燃烧已经持续了太阳内部这样规模的热核燃烧已经持续了45亿年。亿年。估计它还可以这样稳定地再燃烧估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右。亿年左右。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。恒星内部热核燃烧与演化恒星内部热核燃烧与演化一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的一颗恒星的演化
23、史本质上就是它内部核心区域的热核热核(燃烧燃烧)演化史。大质量恒星演化进程将先后经演化史。大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核燃烧阶段历一系列热核燃烧阶段:H燃烧燃烧(稳定核燃烧稳定核燃烧,主序星主序星):核合成主要结果核合成主要结果:4 1H 4He 1.PP反应链反应链-Tc 1.6 107 K 小质量恒星小质量恒星 1.1 M 对太阳对太阳(),稳定燃烧稳定燃烧 100亿年亿年 太阳内部主要热核反应太阳内部主要热核反应强大的中微子源强大的中微子源pp链链:氢氢(质子质子)合成氦合成氦(粒子粒子)小质量小质量(M 1.1 M(M 2 107 K)中，大质量中，大质量(M 1.1 M(M
24、1.1 M)恒星的氢燃烧恒星的氢燃烧 20Na 0.446s Ne-Na循环循环 (p,)18Ne 19Ne 20Ne (p,)1.675s 17.3s +17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 稳定核素稳定核素 9.96m AY 放射性核素放射性核素 1/2 12C 13CNe-Na 循环循环与与Mg-Al 反应链反应链主序后主序后恒星晚期恒星晚期的的热核演化热核演化4He+4He 8Be+8Be+4He 12C+8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的
25、的时标仅为时标仅为10-12 s。但它在分裂前有一定概率再。但它在分裂前有一定概率再吸收一个吸收一个粒子粒子 而转变为而转变为12C 3 反应反应氦燃烧氦燃烧(主序后的红巨星阶段主序后的红巨星阶段)T108 K105 g/cm3,10-6 g/cm3红巨星的结构红巨星的结构当核心温度逐渐升到当核心温度逐渐升到108 K，三，三alpha反应可以进行，则进入反应可以进行，则进入另一个演化阶段。另一个演化阶段。中、小质量恒星的演化图象中、小质量恒星的演化图象H-燃燃烧烧 红巨星红巨星He-燃燃烧烧主序星主序星C-O核核心心 He-燃烧燃烧 壳层壳层 H-燃烧燃烧 壳层壳层白矮星白矮星1324Spi
26、rograph nebulaRing NebulaCats Eye NebulaAGB星星氦燃烧以后恒星内部的核燃烧氦燃烧以后恒星内部的核燃烧 碳燃烧碳燃烧:1212C+C+1212C C 氖燃烧氖燃烧:光致碎裂反应导致元素重新组合光致碎裂反应导致元素重新组合氧燃烧氧燃烧:16O +16O 硅燃烧硅燃烧(硅熔化硅熔化):光致碎裂反应导致元素重新组合光致碎裂反应导致元素重新组合 铁族元素的核合成铁族元素的核合成 它们基本上都是由放热核反应组成，作为恒星强大辐射的它们基本上都是由放热核反应组成，作为恒星强大辐射的能源。能源。M/M最后归宿最后归宿质量非常小质量非常小恒恒 星星 30经历经历H,He
27、,C,Ne,O,Si 等各等各燃烧阶段燃烧阶段超新星超新星爆发爆发黑洞黑洞?不同质量恒星的演化和归宿不同质量恒星的演化和归宿恒星在赫罗图上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。恒星演化通常要经历：核心氢燃烧的主序星阶段(Main Sequence)核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段(Red Giant Branch)核心氦燃烧枯竭后的渐进巨星支阶段(Asymptotic Giant Branch)热脉冲形成行星状星云和白矮星；或者进入碳主序 大质量
28、恒星形成洋葱结构 经历氦闪或不经历氦闪进入核心氦燃烧的水平支阶段(He core flash and Horizontal Branch)质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。赫罗图脱离主序的位置对应星团的年龄。4.两类超新星及两类超新星及其爆发机制其爆发机制 历史上的超新星历史上的超新星爆发时间(AD)光度极大星等发现者遗迹185?-8中国天文学家RCW 86393-1中国天文学家837?-8?中国天文学家IC 4431006-10中中/阿天文学家阿天文学家SN 10061054-5中中/日天文学家日天文学家Crab Nebula1181-1中/日天文学家3C 581572-4Tycho B
29、raheTycho1604-3KeplerKepler16805?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A蟹状星云和蟹状星云脉冲星蟹状星云和蟹状星云脉冲星PSR0531 SN1054 的遗迹的遗迹超新星分类超新星分类1.核心坍缩型超新星核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2.吸积白吸积白矮星的矮星的热核爆热核爆炸型超炸型超新星新星(SNIa)引起恒星不稳定坍塌的主要物理因素引起恒星不稳定坍塌的主要物理因素不同质量的恒星经历它所可能的热核演化之后，通常都要出现较为不同质量的恒星经历它所可能的热核演化之后，通常都要出现较为剧烈的演变。
30、对于质量较低剧烈的演变。对于质量较低(例如例如M M)的恒星，要经历以前述剧烈的恒星，要经历以前述剧烈热脉冲为特征的热脉冲为特征的AGBAGB星阶段，其核心逐渐收缩为白矮星，而星幔星阶段，其核心逐渐收缩为白矮星，而星幔和包层则被向外抛射并膨胀成为行星状星云。大质量恒星和包层则被向外抛射并膨胀成为行星状星云。大质量恒星(M(M)则要经历更为剧烈的演变过程则要经历更为剧烈的演变过程,例如像型超新星那样的极其猛烈例如像型超新星那样的极其猛烈的爆发。的爆发。引起恒星不稳定坍缩的主要物理因素有引起恒星不稳定坍缩的主要物理因素有:1)1)电子俘获电子俘获(EC)(EC)过程过程 当星体非常致密，以致于处于
31、高度简并的电子气体的当星体非常致密，以致于处于高度简并的电子气体的FermiFermi能超过能超过了物质主要成分原子核的电子俘获能阈值了物质主要成分原子核的电子俘获能阈值)()(ECeFQEFermi Fermi 面附近的大量电子将被该类原子核俘获面附近的大量电子将被该类原子核俘获:eAZeAZ),1(),(电子俘获过程电子俘获过程由于这种电子俘获过程的大量进行由于这种电子俘获过程的大量进行,当物质密度当物质密度(重子数密度重子数密度)增加时增加时,自由电子数密度却因自由电子数密度却因Fermi能数值维持在能数值维持在 Q(EC)值不变值不变(自由电子不自由电子不断地打进原子核内同其中一个质子
32、结合成中子断地打进原子核内同其中一个质子结合成中子),因而以自由电子简因而以自由电子简并压为主物质压强也几乎保持不变。这时物质状态方程并压为主物质压强也几乎保持不变。这时物质状态方程Pln4/3lndPd(根据根据VirilViril定理定理)星体在热力学上是绝对不稳定的，它将要坍缩。星体在热力学上是绝对不稳定的，它将要坍缩。电子俘获的密度阈值为电子俘获的密度阈值为 32322)(62322)(33 1)(2(10952.1 1)()(38cmgcmQcmQcmNheECeeECeAeECc3)38(Fepn此式可由完全简并状态下电子数密度此式可由完全简并状态下电子数密度n ne e同同Fer
33、miFermi动量动量 p pF F 间关系式以间关系式以及及FermiFermi能同能同p pF F 间关系式推求间关系式推求几种主要物质的电子俘获不稳定的密度阈值几种主要物质的电子俘获不稳定的密度阈值 EC 过程过程 Q Q 20.59620.596 13.37013.370 10.41910.419 7.0267.026 4.6434.643 3.6953.695 He4MeV)/(3cmgECnnH43111037.1C12BeB1212101090.3O16CN1616101090.1Ne20OF202091021.6Si28MgAl282891097.1Fe56CrMn565691
34、014.1(电子俘获能阈值是扣除了电子的静止能量后的数值电子俘获能阈值是扣除了电子的静止能量后的数值)电子俘获过程是导致电子俘获过程是导致超新星核心坍缩的主要物理因素超新星核心坍缩的主要物理因素大质量恒星经历了完全硅燃烧之后，其核心基本上由铁族元素大质量恒星经历了完全硅燃烧之后，其核心基本上由铁族元素(以以为主为主)组成，其中心密度可达组成，其中心密度可达 (3-5)(3-5)10109 9 g/cm g/cm3 3 以上，超过了以上，超过了铁原子核上电子俘获不稳定的密度阈值铁原子核上电子俘获不稳定的密度阈值,Fermi,Fermi 面附近的大量电面附近的大量电子将被铁族元素的原子核俘获。这时
35、子将被铁族元素的原子核俘获。这时(铁铁)核心是不稳定的，它将核心是不稳定的，它将迅速向中心坍塌迅速向中心坍塌(整个核心坍缩时标短于整个核心坍缩时标短于1 1秒秒)。电子俘获过程是。电子俘获过程是导致导致IIII型型(以及以及I Ib b型型)超新星核心坍缩的主要物理因素。超新星核心坍缩的主要物理因素。2)2)广义相对论效应广义相对论效应 一个不再进行核燃烧，仅依靠简并电子压强一个不再进行核燃烧，仅依靠简并电子压强(抗拒星体自引力压缩抗拒星体自引力压缩)支撑星体平衡的恒星质量一旦超过支撑星体平衡的恒星质量一旦超过Chandrasekhar 极限质量极限质量时，广义相对论效应将使它自身的引力大大超
36、过牛顿引力。由于这时，广义相对论效应将使它自身的引力大大超过牛顿引力。由于这种自引力太强大，电子的简并压强再也不能抗拒它的压缩。种自引力太强大，电子的简并压强再也不能抗拒它的压缩。225.841.48(/0.5)cheeMMY MYM整个恒星就会不稳定而发生引力坍缩整个恒星就会不稳定而发生引力坍缩1eeY Ye是电子丰度，定义为平均每个核子摊分到的自由电子数目是电子丰度，定义为平均每个核子摊分到的自由电子数目 (它是它是电子平均分子量的倒数电子平均分子量的倒数)对中，小质量的恒星对中，小质量的恒星(忽略辐射压忽略辐射压),上述条件等价于当星体的中心密上述条件等价于当星体的中心密度高于下述临界密
37、度度高于下述临界密度:310/106.2cmgc重要结论重要结论将它同各种核素电子俘获的密度阈将它同各种核素电子俘获的密度阈(表表)相比较可知，对于相比较可知，对于以以 4He,12C 为主的星体，它们不稳定坍缩的首要原因是广为主的星体，它们不稳定坍缩的首要原因是广义相对论效应而不是电子俘获过程。但以氧，氖，硅，铁义相对论效应而不是电子俘获过程。但以氧，氖，硅，铁等为主的星体，导致它们不稳定坍缩的首要原因是电子俘等为主的星体，导致它们不稳定坍缩的首要原因是电子俘获过程。当然，在星体不稳定坍缩过程中，这两种因素是获过程。当然，在星体不稳定坍缩过程中，这两种因素是互相促进与联合作用的。互相促进与联
38、合作用的。Ia型超新星型超新星(SNIa)爆发前整个星爆发前整个星体的不稳定性坍缩就是由于这种广义相对论效应引起的。体的不稳定性坍缩就是由于这种广义相对论效应引起的。3)高能高能 光子的光致裂变反应因素光子的光致裂变反应因素 当星体核心温度超过当星体核心温度超过(粒子热运动平均能量超过粒子热运动平均能量超过 0.5 MeV)时，时，Planck分布高能尾巴附近的高能光子，其能量可能超过铁族元素的分布高能尾巴附近的高能光子，其能量可能超过铁族元素的核子结合能核子结合能(对对 来说，平均每个核子的结合能为来说，平均每个核子的结合能为8.8 MeV)。由于光。由于光致裂变反应将耗损大量的热能，星体内
39、部热压强将会大大下降。如致裂变反应将耗损大量的热能，星体内部热压强将会大大下降。如果这个星体核心状态并非处于电子简并果这个星体核心状态并非处于电子简并,则这种高能则这种高能 光子的光致裂光子的光致裂变反应将导致星体核心的坍塌。变反应将导致星体核心的坍塌。(例如，条件为例如，条件为)710108.2,10KT对质量非常巨大对质量非常巨大(M(40-50)M )的恒星的恒星,在星体核心尚未达到简并在星体核心尚未达到简并状态时，其中心温度己高达状态时，其中心温度己高达5109K 以上。高能光子的光致裂变反以上。高能光子的光致裂变反应将是导致星体坍缩的重要因素。不过，这时还将出现另一更重要应将是导致星
40、体坍缩的重要因素。不过，这时还将出现另一更重要的不稳定因素的不稳定因素(电子对湮灭电子对湮灭)。4)正负电子对湮灭产生中微子对过程正负电子对湮灭产生中微子对过程 对对 M(60-100)M 的超巨质量恒星的超巨质量恒星,当其核心区尚在进行氧燃烧当其核心区尚在进行氧燃烧(或或在更早核燃烧阶段在更早核燃烧阶段)时，温度已上升到时，温度已上升到5109K以上，但中心密度却以上，但中心密度却尚未达到尚未达到1107 g/cm3,物质处于非简并状态。这时，热光子的平均物质处于非简并状态。这时，热光子的平均能量超过了电子的静止能量能量超过了电子的静止能量(0.511 MeV)，两个，两个 光子碰撞转化为光
41、子碰撞转化为正负电子对及其逆过程大量进行，即正负电子对及其逆过程大量进行，即 ee在这个互逆反应达到动态平衡的基础上，正负电子对湮灭产生中微在这个互逆反应达到动态平衡的基础上，正负电子对湮灭产生中微子对的反应子对的反应 _ee却在不断地进行。虽然这个反应截面远远低于前一反应截面却在不断地进行。虽然这个反应截面远远低于前一反应截面 19_10)()(eeee反应不仅大量进行，而且产生出来的中微子对携带着能量立即从恒星内部几乎毫无阻拦地射向太空。反应不仅大量进行，而且产生出来的中微子对携带着能量立即从恒星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高温下，这种中微子能量损失率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压强
42、急剧地下降。星体自身在高温下，这种中微子能量损失率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压强急剧地下降。星体自身的引力的引力(广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大)远远超过气体的压强，因而导致星体引力坍缩。远远超过气体的压强，因而导致星体引力坍缩。这是引起超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因素这是引起超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因素。超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因素超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因素在前一互逆反应在前一互逆反应达到了动态平衡状态下，在温度非常高的条件下，后一个反应达到了动态平衡状态下，在温度非常高的条件下，后一个反应ee_ee反应不仅大量进行，而且产生
43、出来的中微子对携带着能量立即从恒反应不仅大量进行，而且产生出来的中微子对携带着能量立即从恒星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高温下，这种中微子能量损失星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高温下，这种中微子能量损失率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压强急剧地下降。星体自身率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压强急剧地下降。星体自身的引力的引力(广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大)远远超过气体远远超过气体的压强，因而引起星体引力坍缩。这是导致超巨质量恒星不稳定坍的压强，因而引起星体引力坍缩。这是导致超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因素缩的主要因素。爆炸性核燃烧条件爆炸
44、性核燃烧条件 1)1)热核燃烧的速率非常快，以致于热核燃烧的时标热核燃烧的速率非常快，以致于热核燃烧的时标(nucnuc)短于星体短于星体因自引力作用因自引力作用(忽略压强忽略压强)的自由坍缩时标的自由坍缩时标(ffff)ffnuc12,12)2,1(vNnuc21446ff2)2)在时标在时标 nucnuc 内热核燃烧所释放的总能量必须超过星体本身的自内热核燃烧所释放的总能量必须超过星体本身的自引力束缚能引力束缚能 RGMMdtdEcorenucnucnuc2引力dtdnuc核燃烧单位质量物质在核燃烧单位质量物质在1 1秒钟内释放的核能秒钟内释放的核能 II型超新星爆发图象型超新星爆发图象及
45、其理论上的困难及其理论上的困难大质量恒大质量恒星热核演星热核演化结束化结束硅燃烧阶段结束硅燃烧阶段结束 M(12-25)MH-包层包层H-燃烧壳层燃烧壳层He-燃烧壳层燃烧壳层C-燃烧壳燃烧壳层层Ne-燃烧壳层燃烧壳层O-燃烧壳层燃烧壳层Si-燃烧壳层燃烧壳层Fe 核心核心T (3-5)109K 3 109g/cm3Mc 1.13MII型超新星核心的坍缩型超新星核心的坍缩内核心内核心:同模坍缩同模坍缩Vr r(亚声速区亚声速区)外核心外核心:自由坍缩自由坍缩Vr Vff/2M内核心内核心 0.6 M内外核心交界面附近内外核心交界面附近:V Vr r (1/8 1/4)c(光速光速)最近关于核心
46、坍缩型超新星爆发的争论最近关于核心坍缩型超新星爆发的争论Buras et al.,2003,Phys.Rev.Lett.,90 No.24,241101 “Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions:What is Missing?”M.Liebendrfer,2004,arXiv:astro-ph/0405029 “Fifty-Nine Reasons for a supernova to not Explode”Woosley:“如果利用更好的中微子物理、更加全面池考虑各种不如果利用更好的中微子物理、更加
47、全面池考虑各种不对称因素对称因素(例如，旋转、对流、磁场因素例如，旋转、对流、磁场因素)和不稳定因素和不稳定因素,我我相信再过几年，超新星爆发的模拟计算可能会取得成功的相信再过几年，超新星爆发的模拟计算可能会取得成功的”(on the conference AwR V,Sep.2005,at Clemson University,USA)现有流行观念现有流行观念:虽然电子俘获过程是引起爆前超新星核心引力收缩的首要物理原因，虽然电子俘获过程是引起爆前超新星核心引力收缩的首要物理原因，但是，但是，SN核心快速坍缩的开始时刻是由广义相对论效应决定核心快速坍缩的开始时刻是由广义相对论效应决定,判据判据
48、为为 Mch Mcore(Fe)(Mch Ye2,随着电子俘获过程的大量进行，随着电子俘获过程的大量进行，Ye ,因而因而Mch )。关键在于关键在于:一旦上述条件达到，整个铁核心都进入快速坍缩阶段，一旦上述条件达到，整个铁核心都进入快速坍缩阶段，其结果是其结果是:Mcore(Fe)太大，太大，使得瞬时爆发机制失效。使得瞬时爆发机制失效。SuneChMYM284.5我的观念我的观念超新星内核心快速坍缩的新判据超新星内核心快速坍缩的新判据计算表明计算表明:当密度很高时，电子俘获速率随着密度增长迅速增加。当密度很高时，电子俘获速率随着密度增长迅速增加。星核愈往内，电子俘获速率愈高星核愈往内，电子俘
49、获速率愈高,物质内电子丰度急剧地下降物质内电子丰度急剧地下降,电子电子简并压强简并压强急剧地急剧地下降下降,相应的壳层的坍缩加速度愈大。更加接近于相应的壳层的坍缩加速度愈大。更加接近于(零压零压)自由坍缩。自由坍缩。由此启示由此启示,我提出我提出大质量恒星核心大质量恒星核心大规模快速大规模快速坍缩的临界点的判据应修改为坍缩的临界点的判据应修改为:星体核心内原子核星体核心内原子核5656NiNi上电子俘获过程非常迅速，其特征时标短于上电子俘获过程非常迅速，其特征时标短于流体动力学时标流体动力学时标:eAeeECcECcchydrocECYNnnRrtmsRRrtRrt,)()()(46.4)()
50、(12/110(Nucler Physics A738(2004)515-518)Ia型超新星爆发图象型超新星爆发图象及其宇宙学意义及其宇宙学意义Ia型超新星爆发图象及其宇宙学意义型超新星爆发图象及其宇宙学意义Ia 型超新星型超新星(SNIa)爆发原因爆发原因310)(2/106.284.5cmgMYMMGRcSunech当吸积白矮星质量超过极限质量当吸积白矮星质量超过极限质量(Chandrasekhar 质量质量):广义相对论效应广义相对论效应(引力明显超过牛顿引力引力明显超过牛顿引力)引起吸积白矮星坍缩。引起吸积白矮星坍缩。在白矮星坍缩过程中，密度、温度急剧上升。当温度上升到在白矮星坍缩过
