超新星爆发学习.pptx

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1、1054超新星遗迹超新星遗迹-蟹状星云蟹状星云(Crab)及其脉冲星及其脉冲星(PSR0531)第1页/共82页近代超新星研究的序幕近代超新星研究的序幕1934年年Baade&Zwicky在对河外星系的超新星进行系统地观测研究在对河外星系的超新星进行系统地观测研究的基础上，在的基础上，在1/3页的短论文中提出了四个完全崭新的重要预言，页的短论文中提出了四个完全崭新的重要预言，它不仅正式提出中子星的观念它不仅正式提出中子星的观念,而且创见性地以超新星为枢纽把它而且创见性地以超新星为枢纽把它同恒星死亡、中子星、高能宇宙线的起源联系起来。同恒星死亡、中子星、高能宇宙线的起源联系起来。恒星死亡恒星死亡

2、超新星爆发超新星爆发中子星中子星超新星爆发超新星爆发高能宇宙线的起源高能宇宙线的起源1942年年Gamow利用利用Urca过程机制来探讨大质量恒星晚期核心坍缩过程机制来探讨大质量恒星晚期核心坍缩的可能性的可能性1960年丘宏义等人首先研究大质量恒星内正负电子对湮灭发射中微年丘宏义等人首先研究大质量恒星内正负电子对湮灭发射中微子对过程并提出它可能导致超新星爆发。这实际拉开了现代高能子对过程并提出它可能导致超新星爆发。这实际拉开了现代高能天体物理理论研究的序幕。天体物理理论研究的序幕。1966年年Colgate从流体动力学出发从流体动力学出发,首次从解析角度探讨了超新星核首次从解析角度探讨了超新星

3、核心坍缩的动力学过程。正式拉开了现代超新星研究的序幕心坍缩的动力学过程。正式拉开了现代超新星研究的序幕第2页/共82页超新星分类超新星分类与与观测特征观测特征第3页/共82页超新星分类1.核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2.吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa)第4页/共82页超新星分类超新星分类(2)SN:按照光谱与光变曲线形状的特征来分类I型（Ia,Ib/Ic）无H线；II型 有H线第5页/共82页超新星的观测特征超新星的观测特征A)光谱光谱第6页/共82页光谱光谱 H/无无H(光极大)SNIISNI光变曲线形状光变曲线形状Si(SiII 6355,吸收线吸收线)/无无

4、Si(He线很弱线很弱)IILIIPSN1987ASN1987KHe(5876,吸收线吸收线)/无无HeIaIbIc晚期晚期(6个月以后个月以后)光谱光谱:H/无无HSNIISNIO/HO/无无OSN1987KIb,IcIa(H,O,Ca)(H,Ca)(O,Ca)(Fe,Co)第7页/共82页光谱观测的推论光谱观测的推论1.SNI(a,b,c)爆发前后恒星物质基本上不含氢。爆发前后恒星物质基本上不含氢。其前身星或者为白矮星、或者为其前身星或者为白矮星、或者为WR(WolfRayet)星。星。(WR星星:M主序主序30M,T,Tc c (7-9)(7-9)10107 7 K K 强大星风将氢大气

5、包层强大星风将氢大气包层(甚至氦包层甚至氦包层)全部吹掉全部吹掉)2.SNI2.SNIa a 大气中大气中 He He 含量很低。但含量很低。但 (外层大气中外层大气中)Si)Si元素不少。元素不少。3.SNI3.SNIb b大气中主要成分是大气中主要成分是HeHe4.SNII4.SNII爆前恒星外层以爆前恒星外层以 H H为主为主,其次为氧其次为氧(O)(O)。5.SNII+SNI5.SNII+SNIb b+SNI+SNIc c产生大量的氧产生大量的氧 ,而而SNISNIa a几乎不产生氧几乎不产生氧6.SNI6.SNIa a爆炸过程中核合成最后产生并向外抛射大量的爆炸过程中核合成最后产生并

6、向外抛射大量的 FeFe M(Fe)(Fe)(0.6-1.25)(0.6-1.25)M/SNI/SNIa a 但但 SNIISNII、SNISNIb b、SNISNIc c 抛向太空的抛向太空的FeFe很少很少 M(Fe)(Fe)0.1 0.1 M/SNII/SNII第8页/共82页B)光变曲线光变曲线光变曲线尾巴衰减规律光变曲线尾巴衰减规律:Lexp-t/放射性元素能源放射性元素能源64d(SNI)90d(SNII-L)145d(SNII-P)56Ni56Co56Fe i8.8d114d 1/26.8d77.8d伴随伴随-ray:0.847MeV(99.96%)1.238MeVSN1987A

7、:从光变曲线尾巴的拟合从光变曲线尾巴的拟合0.075M(5656Ni)Ni)500天以后天以后:56Co+57Co(1/2=271d)(:0.122MeV(85.6%),0.136MeV)800天以后天以后:44Ti(1/2=4.7年年)第9页/共82页C)空间分布空间分布 SN Ia SN Ib SN II 旋涡星系和椭园 只出现在旋涡星系或不规则星系星系内均有 同恒星形成区(H II区)相联系在旋涡星系中，同旋臂明显相关同旋臂不相关 前身星前身星(同光谱特征相结合的推论)双星系统中 WR星星较大质量主序星较大质量主序星吸积白矮星 M主序30 M 8 8 M主序主序/M3030第10页/共8

8、2页D)爆发能量爆发能量总辐射能总辐射能 Er1049 ergs (对各类超新星)抛射物总动能抛射物总动能:EK1051ergs(对各类超新星)104Km/sSNIa:Vmax104Km/sSNII:一般一般:Vmax104Km/sSN1987A:Vmax3104Km/s(引力引力)束缚能束缚能:EB(0.51.0)1051ergs(对各类超新星)爆发总能量爆发总能量:SNIa:E总总=Er+EK+EB1051ergsSNII:中微子暴中微子暴:E 1053ergs(SN1987A)(核心坍缩成中子星核心坍缩成中子星)E总总1053ergs第11页/共82页E)爆发频率爆发频率银河系内肉眼可见

9、超新星爆发频率:q肉眼 1/(400年)(由于银河系内星际介质挡光，绝大多数超新星肉眼看不见)各种统计方法推论 q总总(1/25 1/30)年-1 SN Ia 爆发频率:1990年以前认为:qSNIaqSNII难以克服的矛盾难以克服的矛盾:由由M(56Fe)(0.61.25)M /SNI/SNIa a M(56Fe)(30-40)M )SN II:质量较大恒星:8 M M主序主序 25 1.13M第17页/共82页大质量恒星核心坍缩的主要原因大质量恒星核心坍缩的主要原因电子俘获过程电子俘获过程:引起引起超新星核心坍缩的关键过程超新星核心坍缩的关键过程QEC(A,Z):原子核原子核(A,Z)电子

10、俘获的能阈值电子俘获的能阈值QEC(12C)=20.596MeV,EC=3.9 1010g/cm3QEC(56Fe)=3.695MeV,EC=1.14 109g/cm3第18页/共82页重要原子核电子俘获的密度阈值重要原子核电子俘获的密度阈值表中表中EC过程的能阈值己扣除电子的静止能量过程的能阈值己扣除电子的静止能量第19页/共82页广义相对论引力坍缩的临界密度广义相对论引力坍缩的临界密度 c(GR)同同 EC 的比较的比较结论结论:引起引起SNII(SNIb、SNIc)核心坍缩的首要物理因素是电子核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程俘获过程(EC)。引起吸积白矮星坍缩引起吸积白矮星坍缩(它导

11、致它导致SNIa爆发爆发)的主要因素是广的主要因素是广义相对论效应。义相对论效应。(光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素)第20页/共82页超巨质量恒星坍缩的超巨质量恒星坍缩的主要物理因素主要物理因素超巨质量恒星坍缩的主要因素超巨质量恒星坍缩的主要因素:电子对湮灭为中微子对过程电子对湮灭为中微子对过程非简并高温环境非简并高温环境(T2109K):第21页/共82页II型超新星核心坍缩与星体爆发图象型超新星核心坍缩与星体爆发图象内核心内核心: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VrVff/2M内核心内核心0.6M内外核心交

12、界面附近内外核心交界面附近:V Vr r (1/81/4)c(光速光速)第22页/共82页超新星核心坍缩与反弹超新星核心坍缩与反弹随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到原子核密度达到原子核密度 nuc(nuc=2.81014g/cm3)以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并压强，物质状态方程压强，物质状态方程 P P 5/3 变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯性，直到中心变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯性，直到中心密度达到密度达到(2-4)nuc时，内核心的坍缩

13、才完全中止。而内时，内核心的坍缩才完全中止。而内核心外围的物质却继续以超音速坍塌核心外围的物质却继续以超音速坍塌,它们猛烈地撞击在它们猛烈地撞击在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达Eshock1051-52ergs。第23页/共82页光裂变反应导致反弹激波的能量损耗光裂变反应导致反弹激波的能量损耗反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度

14、上升到自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度上升到1011K以上，平均热运动能量高达以上，平均热运动能量高达10MeV,超过了超过了56Fe平平均每个核子的结合能均每个核子的结合能(8.8MeV)。铁族元素的原子核很快地被热光子打碎铁族元素的原子核很快地被热光子打碎:(1foe=1051ergs)能量耗损率能量耗损率第24页/共82页瞬时爆发机制失效的原因瞬时爆发机制失效的原因如果如果则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，初始激波能量只要尚能剩下初始激波能量只要尚能剩下1%1%以上的能量以上的能量(即即 101

15、04949ergs),ergs),残留的激残留的激波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。瞬时爆发机制。瞬时爆发机制。如果如果特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在铁核光致裂解的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致铁核光致裂解的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这原来

16、向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这种情形下，瞬时爆发机制失败。种情形下，瞬时爆发机制失败。第25页/共82页结论结论:瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小以及它的外以及它的外(铁铁)核心的质量是否过大核心的质量是否过大?两种探讨途径两种探讨途径;1)设法增加反弹激波能量设法增加反弹激波能量 例如，为使核心坍缩得更为例如，为使核心坍缩得更为致密致密(释放更多的自引力能释放更多的自引力能),),人为地选取过小的原子核人为地选取过小的原子核压缩模量系数压缩模量系数 K K 130(130(核物理实验值核物理实验值 K K

17、 210-220)210-220)2)2)反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低外铁外铁(核心核心)质量质量迄今对所有合理的模型计算而言，迄今对所有合理的模型计算而言，瞬时爆发机制是不成功的瞬时爆发机制是不成功的(铁铁)核心的质量太大。核心的质量太大。第26页/共82页III.Wilson的中微子延迟爆发机制的中微子延迟爆发机制:他假定新生中子星在他假定新生中子星在0.5秒内产生大量秒内产生大量(1052ergs以上以上)的中微子流。它的中微子流。它同物质相互作用，中微子流的动量冲压导致超新星爆发同物质相互作用，中微子流的动量冲压导致超

18、新星爆发本图描述了反弹激波本图描述了反弹激波在停止后景象。在停止后景象。Rs为为激波所在的位置，此激波所在的位置，此处物质以处物质以Vff的速度的速度向下降落（速度接近向下降落（速度接近自由落体）。物质经自由落体）。物质经过激波的减速之后，过激波的减速之后，以较为缓慢的速度经以较为缓慢的速度经过加热和冷却区向新过加热和冷却区向新生中子星的表面运动。生中子星的表面运动。R:中微子球半径中微子球半径,Rns:新生中子星的半新生中子星的半径。径。Re:加热和冷却加热和冷却相平衡处的半径。相平衡处的半径。第27页/共82页中微子延迟爆发机制中两个尚未解中微子延迟爆发机制中两个尚未解决的关键问题决的关键

19、问题 1)1)新生的高温中子星能否在非常短的时标新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如此巨大的中微子流内产生如此巨大的中微子流?产生如此强大的中产生如此强大的中微子流的具体物理过程是什么微子流的具体物理过程是什么?(凝聚的中微子发射凝聚的中微子发射?核物质向核物质向(u,d)(u,d)夸克物质夸克物质的转化的转化?均未成功均未成功)2)2)即使在极短时标内出现了强大的中微子流，即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外的初始速度

20、高达的初始速度高达 10104 4 km/s km/s 左右，爆发总动能否左右，爆发总动能否达到达到 10104949 erg?erg?第28页/共82页强大中微子流如何在瞬间产生强大中微子流如何在瞬间产生?我们过去的研究我们过去的研究19951995年，我们南京大学研究小组提出了由超新星坍缩核心年，我们南京大学研究小组提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子星内相继出现的核物质形成的高温中子星内相继出现的核物质-(u,d)-(u,d)两味夸克两味夸克-(s,u,d)(s,u,d)三味夸克的相变过程三味夸克的相变过程u+eu+e-d+d+e e,u+eu+e-s+s+e e,u+d,u+d u+s

21、 u+s 将在短于将在短于1 1微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量为为10 MeV10 MeV左右，总能量达左右，总能量达 10105252erg erg 以上。这种相变过程以上。这种相变过程导致星体核心区出现负熵梯度引起内外物质的导致星体核心区出现负熵梯度引起内外物质的SchwarshildSchwarshild对流将使这强大中微子流向外输送对流将使这强大中微子流向外输送,迅速抵达迅速抵达中微子球表面。中微子球表面。(Dai Z.Peng Q.and Lu T.ApJ.,1995,440:815)(Dai Z.Peng Q.and Lu T.Ap

22、J.,1995,440:815)我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。第29页/共82页我们研究引起的的反响我们研究引起的的反响1.1.在我们的初步探讨中，我们用理想在我们的初步探讨中，我们用理想FermiFermi气体作为夸克气体作为夸克系统的最简单模型。系统的最简单模型。很快地，印度德里大学一个研究小组在我们研究的基础上，很快地，印度德里大学一个研究小组在我们研究的基础上，进一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加进一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加增强增强1/41/4左右。这方面研究还在深入之中。左右。这方面

23、研究还在深入之中。2.2.我们这篇论文也己成为最近几年人们探讨奇异我们这篇论文也己成为最近几年人们探讨奇异(夸克夸克)星的奠基性论文之一星的奠基性论文之一(至今己有至今己有3030多篇他人文章引用多篇他人文章引用)。例如例如,Kernenetal.,2004,astro-ph/0406448“Neutrinoemissionandmassejectioninquarknovae”第30页/共82页中微子延迟爆发机制中中微子延迟爆发机制中仍然未解决的关健仍然未解决的关健问题问题中微子流能否激活强大的向外激波中微子流能否激活强大的向外激波?迄今仍然也迄今仍然也是悬案。人们不仅考虑了己知各种基本粒子

24、是悬案。人们不仅考虑了己知各种基本粒子(e(e-,e,e+,p,n,p,n,0 0，,以及以及 1616O O等原子核等原子核)同中微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离同中微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离子体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的子体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大的增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大的冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，迄冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，迄今在理论上人们也仍然无法自洽地实现超新星的今在理论上人们也仍然无法自洽地实现超新星的爆发。爆发。(向外爆发总动能达到向外爆发总动能达到

25、10104949 erg erg 以上以上)第31页/共82页最近关于核心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Burasetal.,2003,Phys.Rev.Lett.,90No.24,241101“ImprovedModelsofStellarCoreCollapseandStillNoExplosions:WhatisMissing?”M.Liebendrfer,2004,arXiv:astro-ph/0405029“Fifty-NineReasonsforasupernovatonotExplode”第32页/共82页我对超新星爆发机制我对超新星爆发机制的的新观点与

26、新建议新观点与新建议(NuclerPhysicsA738(2004)515-518)第33页/共82页超新星爆发前夕主要核素的电子俘获率超新星爆发前夕主要核素的电子俘获率、s分别是未计及和考虑分别是未计及和考虑电荷屏蔽效应下的电子俘获率影响。这里的核素由电荷屏蔽效应下的电子俘获率影响。这里的核素由于电荷屏蔽的影响俘获率要比原来下降于电荷屏蔽的影响俘获率要比原来下降10%-15%左右。左右。(罗志全，彭秋和，罗志全，彭秋和，1996)第34页/共82页电荷屏蔽效应对超新星爆发的影响电荷屏蔽效应对超新星爆发的影响电荷屏蔽效应提高了电子俘获过程的有效能阈值，由此明显地提高电荷屏蔽效应提高了电子俘获过

27、程的有效能阈值，由此明显地提高了爆前超新星核心坍缩的临界密度阈数值，这必将降低实际坍缩了爆前超新星核心坍缩的临界密度阈数值，这必将降低实际坍缩(以铁为主要成份的以铁为主要成份的)核心的质量。核心的质量。以前在计算电子俘获率以前在计算电子俘获率 EC时时,并未考虑电荷屏蔽效应。并未考虑电荷屏蔽效应。当考虑电荷屏蔽效应后当考虑电荷屏蔽效应后,sECtEC因此因此,满足条件满足条件(A)的临界点处的密度值的临界点处的密度值*要求更高要求更高,或只或只有在更高的密度有在更高的密度(对应的对应的Rc也更小也更小)点以内的物质才会极迅点以内的物质才会极迅速地向内坍缩。因而，由于速地向内坍缩。因而，由于电荷

28、屏蔽效应的影响，电荷屏蔽效应的影响，坍缩核坍缩核心质量必定小于原来心质量必定小于原来未考虑电荷屏蔽效应时的数值。即未考虑电荷屏蔽效应时的数值。即MscMc结论结论:考虑考虑电荷屏蔽效应必定会使得超新星坍缩核心质量电荷屏蔽效应必定会使得超新星坍缩核心质量数值下降，有利于瞬时爆发机制。数值下降，有利于瞬时爆发机制。具体研究必须结合最新核物理研究进行数值模拟计算。具体研究必须结合最新核物理研究进行数值模拟计算。第35页/共82页电荷屏蔽效应对电子俘获过程电荷屏蔽效应对电子俘获过程和超新星爆发的影响和超新星爆发的影响电荷屏蔽效应使电子俘获过程速率变慢电荷屏蔽效应使电子俘获过程速率变慢(罗志全、彭秋和罗

29、志全、彭秋和,1996,2000)(蒋广飞、彭秋和蒋广飞、彭秋和,2002)(罗志全、刘门全、彭秋和罗志全、刘门全、彭秋和,2005)sECtEC电荷屏蔽效应的计入更加有利于超新星的爆发电荷屏蔽效应的计入更加有利于超新星的爆发(正在计算中正在计算中)第36页/共82页Ia型超新星型超新星1.Ia型超新星的爆发图象型超新星的爆发图象2.SNIa疑难问题疑难问题3.SNIa探测的宇宙学意义探测的宇宙学意义第37页/共82页Ia型超新星型超新星 当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。第38页/共82页Ia型超新星爆发图像型超新星爆发图像第39页/共82页

30、Ia型超新星爆发机制型超新星爆发机制密近双星系统大质量吸积白矮星密近双星系统大质量吸积白矮星:吸积率吸积率:dM/dt(10-9-10-6)M M/年年当白矮星的质量增长达到当白矮星的质量增长达到Chandrasekhar临界质量临界质量Mch=5.86Ye2M M时时,广义相对论效应致使整个星体广义相对论效应致使整个星体(引力引力)坍缩。坍缩。(电子俘获过程加速星体坍缩电子俘获过程加速星体坍缩)在急速坍缩过程中在急速坍缩过程中,密度、温度急剧增长。密度、温度急剧增长。(但等离子体中微子发射过程延缓温度增长但等离子体中微子发射过程延缓温度增长)。当达到爆炸性核燃烧条件时当达到爆炸性核燃烧条件时

31、,立即点燃爆炸性立即点燃爆炸性C燃烧，核燃烧波迅速燃烧，核燃烧波迅速向外传播。从亚声速的爆燃波演变为超声速的爆轰波，爆炸性向外传播。从亚声速的爆燃波演变为超声速的爆轰波，爆炸性C燃燃烧则演变为爆炸性的烧则演变为爆炸性的(不完全不完全)Si燃烧。它使得整个星体向外爆炸，燃烧。它使得整个星体向外爆炸，几乎不遗留致密残骸。几乎不遗留致密残骸。第40页/共82页星体热核爆炸星体热核爆炸核反应的点火条件核反应的点火条件:1)核燃烧产能率超过核燃烧产能率超过(等离子体激元发射的等离子体激元发射的)中微子能损率中微子能损率d nuc/dtd /dt2)温度达到核反应点火温度温度达到核反应点火温度TTnucE

32、库仑库仑/kB,(0.010.05)%E库仑库仑=Z1Z2e2/Rnuc20(Z1Z2/A1/3)MeV一旦核反应点火一旦核反应点火局部失控热核反应局部失控热核反应(白矮星简并物质特性白矮星简并物质特性)亚声速爆燃波亚声速爆燃波(向外传播向外传播)超声速爆轰波超声速爆轰波爆炸性爆炸性C燃烧燃烧爆炸性爆炸性(不完全不完全)Si燃烧燃烧铁族元素铁族元素整个星体热核爆炸条件整个星体热核爆炸条件:(基本炸光，不遗留致密残骸基本炸光，不遗留致密残骸)1)nucEBGM2/R31051erg人们在人们在SNIa模拟计算时模拟计算时,采用采用c3109g/cm3,Tc2108K时的时的C燃燃烧点火，在烧点火

33、，在(电子电子)简并状态迅速发展成为简并状态迅速发展成为失控失控C燃燃烧。烧。第41页/共82页SNIa研究中的疑难问题研究中的疑难问题第42页/共82页SNIa疑难问题疑难问题:1.前身星前身星?1)M(WD)Mch=5.86Ye2M 1.38M (C-O (C-O白矮星白矮星)R(WD)R(WD)1600 km 1600 km2)2)吸积率吸积率(吸积率条件要求适中吸积率条件要求适中)d dMH H/dt/dt 10-9M /yr/yr 新星爆发新星爆发(表面壳层爆炸性氢燃烧表面壳层爆炸性氢燃烧)d dMH H/dt/dt 10-6M/yr/yr 出现氢燃烧壳层而形成红巨星包层出现氢燃烧壳

34、层而形成红巨星包层 (它逐渐将白矮星同其伴星结合在一起它逐渐将白矮星同其伴星结合在一起 共生星共生星)d dMH H/dt/dt(d dMH H/dt)/dt)EddEdd 10-5M/yr/yr 直接形成共生星直接形成共生星d dMH H/dt/dt(10-9-10-6)M /yr /yr SNIa问题问题:共生星能否导致共生星能否导致SNIa?或或导致白矮星直接坍缩成中子星而不呈现剧烈的超新星爆发导致白矮星直接坍缩成中子星而不呈现剧烈的超新星爆发?3)光谱分析发现光谱分析发现:双星中大质量白矮星双星中大质量白矮星(M1.30M )几乎都是几乎都是 O-Ne-O-Ne-Mg g白矮星白矮星(

35、约占白矮星总数的约占白矮星总数的1/4)。而目前。而目前SNIa理论中标准模型是爆发的理论中标准模型是爆发的C-O白矮星。吸积的白矮星。吸积的O-Ne-O-Ne-Mg g白矮星最后结局是白矮星最后结局是SNIa的爆发的爆发?或是坍缩或是坍缩成中子星成中子星?尚在研究与争论之中。尚在研究与争论之中。第43页/共82页SNIa疑难问题疑难问题:2.白矮星核心晶体状态白矮星核心晶体状态?白矮星物质呈现为晶格点阵的固体状态。白矮星物质呈现为晶格点阵的固体状态。Z2e2/(akT)(库仑相互作用能/热运动能)a:晶格常数(离子间平均距离),ne:自由电子数密度 ne(4/3)a3=1,ne =NA /e

36、,(电子平均分子量)e =Ye-1 当当c171时时(完全电离完全电离)等离子体物质固体化。等离子体物质固体化。C-O混合固体物质三种可能的状态混合固体物质三种可能的状态:1)C,O处于分离状态处于分离状态:O集中在核心区，集中在核心区，C集中在外围区域。集中在外围区域。2)C,O处于相互混合状态处于相互混合状态:无序晶体无序晶体3)C,O处于相互混合状态处于相互混合状态:有序晶体有序晶体1989年研究表明年研究表明:微观上微观上C,O分离所消耗能量低于总能量的分离所消耗能量低于总能量的1%。现。现有的研究无法判断有的研究无法判断C,O是否分离，更无法断定处于何种类型晶体。是否分离，更无法断定

37、处于何种类型晶体。问题的严重性问题的严重性:不同类型的固体状态决定了坍缩白矮星核心碳燃烧不同类型的固体状态决定了坍缩白矮星核心碳燃烧点火的不同方式，甚至决定星体最后是整体爆炸还是继续坍缩点火的不同方式，甚至决定星体最后是整体爆炸还是继续坍缩(形形成中子星成中子星)的关键问题。的关键问题。第44页/共82页SNIa疑难问题疑难问题:3.C燃烧点火地点和核反应类型燃烧点火地点和核反应类型?问题问题:1)C燃烧点火地点位于星体中心以外某处燃烧点火地点位于星体中心以外某处(center-off)(原因:等离子体的中微子发射率随物质密度增长而迅速增加,因而坍缩白矮星的中心温度增长较慢)2)点火的热核反应

38、类型点火的热核反应类型?a)通常的热核反应通常的热核反应(原子核之间的碰撞是由通常的热运动能量提供)b)致密物质核反应致密物质核反应(Pycnonuclear reaction)(原子核之间的碰撞是由晶格点阵的零点振动能提供的)核反应类型同核反应类型同C-O混合状态密切相关混合状态密切相关:1)无序无序C-O合金情形合金情形:如果 c(2-3)109g/cm3,Tc 2 108K通常热核反应通常热核反应 如果 c(0.95-1.5)1010g/cm3,Tc 1109K致密物质核反应致密物质核反应(白矮星中心密度迄今仍作为自由参量调节白矮星中心密度迄今仍作为自由参量调节)第45页/共82页SNI

39、a疑难问题疑难问题:3.(续续)2)C-O有序合金情形有序合金情形C燃烧的点火被推迟到相当高密度时才出现。燃烧的点火被推迟到相当高密度时才出现。在在丰度丰度X(O)X(C)情形下，不会发生情形下，不会发生12C+12C反应，反应，只出现只出现12C+16O及及16O+16O反应反应。如果如果c21010g/cm3,则则16O原子核上电子俘获过程大原子核上电子俘获过程大量进行量进行,促进星体进一步坍缩促进星体进一步坍缩,核燃烧点火推迟到更高密核燃烧点火推迟到更高密度下度下,出现致密物质核反应。出现致密物质核反应。3)C-O分离情形分离情形:(内核为内核为O,外围为外围为C)一旦在交界面外的一旦在

40、交界面外的C燃烧点火燃烧点火,它释放的大量能量将使它释放的大量能量将使其温度远高于更外面区域，引起其温度远高于更外面区域，引起Schwartzschild对流。对流。对流驱动的对流驱动的Urca过程可能导致复杂结果。过程可能导致复杂结果。第46页/共82页预备知识预备知识:Urca过程过程;原子核稳定性原子核稳定性Urca过程过程:如果原子核如果原子核(A,Z)电子俘获过程产生的子核电子俘获过程产生的子核(A,Z-1)是是-不稳定的不稳定的,则则(A,Z)+e-(A,Z-1)+e(A,Z-1)(A,Z)+e-+e(反反)只能在非简并气体中发生只能在非简并气体中发生组成的的循环称为组成的的循环称

41、为Urca过程。它等效于过程。它等效于e-e-+e+e(反反)(能量能量“漏管漏管”,它消耗电子热运动能量它消耗电子热运动能量)原子核性质原子核性质:奇奇A核只有一种稳定的同量异位素核只有一种稳定的同量异位素(从从A36开始开始)偶偶A核有核有(1-3)种稳定的同量异位素种稳定的同量异位素偶偶Z核通常可以有核通常可以有10种种稳定的同位素稳定的同位素(例例:Zn,有有10种种稳定的同位素稳定的同位素)大多数大多数奇奇Z核通常只有一种稳定的同位素核通常只有一种稳定的同位素(例例19F,23Na)少数有两种稳定同位素少数有两种稳定同位素第47页/共82页(续续)例例:35,37Cl,准稳同位素准稳

42、同位素36Cl:1/2=3.0106年年;39,41K,准稳同位素准稳同位素40K(1.17E-4):1/2=1.28109年年只有当只有当A,Z都为奇数时都为奇数时,且且(A,Z-1)核核-不稳定情形下，不稳定情形下，(非非简并气体中简并气体中)(A,Z)-(A,Z1)这一对原子核的这一对原子核的Urca过过程才有效。程才有效。这时，这时，(A,Z)核是核是(原子序为原子序为Z的的)元素的唯一稳定的同位素元素的唯一稳定的同位素。核。核(A,Z)内中子数为偶数，质子数为奇数，电子俘获能阈值内中子数为偶数，质子数为奇数，电子俘获能阈值(Q)较较低低,EC过程容易发生。过程容易发生。例例:23Na

43、23Ne的的Urca过程有效过程有效在在(白矮星核心白矮星核心)强电子简并气体中，强电子简并气体中，(由于由于Pauli原理原理)-衰变是禁戒的。因此，通常的衰变是禁戒的。因此，通常的Urca过程是不会出现的。过程是不会出现的。第48页/共82页SNIa疑难问题疑难问题:4.有关对流有关对流Urca过程的争论过程的争论对流对流Urca过程过程(Paczynsky,1972):失控碳燃烧会引起星体核心内外物质的对流失控碳燃烧会引起星体核心内外物质的对流,来回对流的物质将来回对流的物质将通过外核心区的某一通过外核心区的某一“Urca壳层壳层”，其内电子的，其内电子的Fermi能量足够高，能量足够高

44、，超过了超过了23Na(C燃烧核产物燃烧核产物,丰度丰度10-5)核上电子俘获能阈值核上电子俘获能阈值(Q=3.695MeV),电子俘获过程电子俘获过程23Na(e-,e)23Ne大量进行。虽大量进行。虽然不稳定核然不稳定核23Ne在核心区不会发生在核心区不会发生-衰变衰变,但当产生的不稳定核但当产生的不稳定核23Ne随对流物质穿出随对流物质穿出“Urca壳层壳层”之后，其外面物质密度较低，电之后，其外面物质密度较低，电子子Fermi能不高能不高,不会抑制不会抑制23Ne的的-衰变过程衰变过程(23Ne(e-,e(反反)的进行。这就形成了的进行。这就形成了对流的对流的(23Na-23Ne)Ur

45、ca过程过程。这种这种“能量漏管能量漏管”大大推迟热核反应转变为失控状态的时间。如果大大推迟热核反应转变为失控状态的时间。如果更更多的核素参与对流多的核素参与对流Urca过程过程,有可能使星体不呈现有可能使星体不呈现SNIa向外爆炸向外爆炸,而是进一步坍缩成中子星。而是进一步坍缩成中子星。第49页/共82页对流对流Urca过程的作用过程的作用冷却还是加热冷却还是加热?Bruenn(1973):对流驱动对流驱动Urca过程的作用过程的作用?冷却效应还是加热效应冷却效应还是加热效应?关键关键:中微子带走的能量中微子带走的能量:它由星体内简并物质的温度和密度决定的。它由星体内简并物质的温度和密度决定

46、的。对给定的一对原子核对给定的一对原子核(A,Z)和和(A,Z1)而言而言,(在给定的密度下在给定的密度下)如果如果TTcrit,冷却效应冷却效应原因原因:Urca过程发射的过程发射的中微子平均能量高于中微子平均能量高于 E,仅靠电子仅靠电子Fermi能能是不能发射中微子对是不能发射中微子对(完全完全Urca过程过程)的。必须同时再消耗的。必须同时再消耗(电子俘获电子俘获过程中过程中)入射电子的入射电子的(热运动热运动)动能动能,其净效果为冷却。其净效果为冷却。第50页/共82页(续续)对对23Na23NeUrca过程而言，在过程而言，在(1.8-4.0)109g/cm3范围内范围内,现有现有

47、SNIa碳爆燃模型中碳爆燃模型中C燃烧温度燃烧温度TTcrit。加热效应，不会推延和抵消简并物质中加热效应，不会推延和抵消简并物质中C燃烧的失控转变燃烧的失控转变迄今几乎所有的迄今几乎所有的SNIa模拟计算并未考虑对流模拟计算并未考虑对流Urca过程。过程。当当4.0109g/cm3时时,出现新的出现新的Urca对对21Ne-21F,情形复情形复杂。杂。(21Ne核的电子俘获能阈值为核的电子俘获能阈值为5.70MeV),由于对流边界不确定，迄今仍然在研究中。由于对流边界不确定，迄今仍然在研究中。第51页/共82页5.碳爆燃波的加速传播问题碳爆燃波的加速传播问题(电子简并下电子简并下)致密物质中

48、一旦出现核反应，立即出现失控碳燃烧。致密物质中一旦出现核反应，立即出现失控碳燃烧。失控碳爆燃波开始时以热传导方式向外传播，其速度为失控碳爆燃波开始时以热传导方式向外传播，其速度为50km/s,远远低于白矮星致密物质内声速远远低于白矮星致密物质内声速(9500km/s)。观测表明观测表明,在在SNIa超新星晚期光谱中以超新星晚期光谱中以Fe族元素为主。这强烈地族元素为主。这强烈地显示了星体内爆炸性核燃烧主要核合成产物是显示了星体内爆炸性核燃烧主要核合成产物是Fe族元素。这只有族元素。这只有硅燃烧才能实现。硅燃烧才能实现。为了较好地拟合为了较好地拟合SNIa的光变曲线，最后的的光变曲线，最后的(S

49、i)核燃烧波必须是超核燃烧波必须是超声速传播的声速传播的(爆轰波爆轰波)。问题问题:在在SNIa爆发过程中亚声速的爆发过程中亚声速的C爆燃波是如何加速演变为超声爆燃波是如何加速演变为超声速速Si爆轰波的爆轰波的?第52页/共82页(续续)现有的认识现有的认识:随着失控随着失控C燃烧的进行燃烧的进行(物质处于对流状态物质处于对流状态)，当温度上，当温度上升到使升到使C燃烧的速率增长到其临界值燃烧的速率增长到其临界值:核燃烧特征寿命短于对流元向核燃烧特征寿命短于对流元向内和向外运动往返一周的时标时，低速内和向外运动往返一周的时标时，低速C爆燃波就进入了不稳定加爆燃波就进入了不稳定加速传播阶段。速传

50、播阶段。由于碳爆燃波波前以内物质已经经历了失控核燃烧由于碳爆燃波波前以内物质已经经历了失控核燃烧,在高温膨胀过在高温膨胀过程中密度己下降很多。当碳燃烧使核心温度进一步达到程中密度己下降很多。当碳燃烧使核心温度进一步达到1109K以上以上时时,核燃烧时标仅为核燃烧时标仅为0.01s,远短于声波穿过压力标高远短于声波穿过压力标高(450km)的时标的时标(0.047s)，核燃烧释放的热能足以使星体核心中心密度因热膨胀而降，核燃烧释放的热能足以使星体核心中心密度因热膨胀而降低了低了3.6倍。它反而低于倍。它反而低于碳爆燃波波前外面的物质密度，因而导致碳爆燃波波前外面的物质密度，因而导致(上层流体重于