新浪科技综合■硬核解说：宇宙中璀璨的明珠——超新星新浪科技综合2020-08-14 14:47:010阅( 三 )
在2014年 ， 科学家还发现了一颗有史以来最奇特的超新星iPTF14hls（=SN 2016bse） 。 清华大学超新星研究团队与美国加州理工大学帕洛玛山超新星工厂团队共同发现和研究了该超新星 。 该超新星呈现了前面提到的富氢的II型超新星光谱特征 ， 但要比后者亮10倍且演化的非常缓慢 。 自2014年9月被发现后的约2年时间内产生了至少5次大规模的爆发现象 ， 在光变曲线上产生了5个显著的能量峰 。 历史图像资料显示该超新星在1954年就产生过一次比较强烈的爆发 ， 显然在经历那次爆发后该超新星仍然存活了下来 ， 表明其前身星应该为一颗超大质量恒星 。 该超新星多次的爆发、产生的高光度、缓慢的光谱演化等对当前的超新星理论模型提出了严峻的挑战 。
从观测的角度分析 ， Ia型超新星的爆炸机制与核塌缩型超新星完全不同 。 首先 ， Ia型超新星光谱中没有氢线 ， 且在早期光谱及光极大处体现为高速的中等质量元素的一次电离吸收线 ， 其中一些早期光谱中探测到CII吸收线 ， 而晚期的星云相主要由铁的禁线主导 。 其次 ， 大部分Ia型超新星都有较为均匀的光谱和光变曲线 。 最后 ， Ia型超新星似乎对寄主星系没有选择性 ， 即在所有类型星系中都探测到了Ia型超新星 。
基于Ia型超新星的观测特征 ， 我们可以对其爆炸过程作出一定的限制 。 通过其光谱中没有氢线和氦线可以推断出其爆炸很可能来自于质密天体；根据其爆炸抛射物的速度所推断的动能能够与碳氧元素爆炸式核合成所释放的能量相比拟；从光变曲线的特征来看 ， 从Ni56到Co56到Fe56的放射性衰变模型能够很好地吻合光变曲线的形状 。 因此可以推断出 ， Ia型超新星很可能来自于白矮星的热核爆炸 。
然而对于氦白矮星而言 ， 其内部发生爆炸式核合成时所对应的质量范围大约只有0.6-1.0太阳质量 ， 因此爆炸产生的能量过低 ， 并且氦的爆轰所产生的元素主要以钙、钛等“重硅族元素”组成 ， 并非铁族元素 。 而氧氖镁白矮星吸积物质的演化结局更可能是通过电子俘获过程塌缩为中子星 ， 属于核塌缩型超新星 。 因此 ， Ia型超新星是起源于吸积碳氧白矮星的热核爆炸这一观点目前已经被普遍接受 。
超新星来自何方？
超新星所处的单星或双星系统是从何而来的呢？这一问题涉及到超新星的前身星 。 对其前身星的研究有助于我们更好地了解恒星、双星以及多星系统的演化 。
我们先以Ia型超新星为例 。 如前所述 ， Ia型超新星来自碳氧白矮星的热核爆炸 ， 然而白矮星是如何增加自身质量到钱德拉塞卡质量极限的？目前被广泛讨论的前身星模型主要有两种 ， 一个是单简并星模型 ， 另一个是双简并星模型 。
在单简并星模型中 ， 碳氧白矮星与一颗非简并伴星构成双星系统 ， 这颗非简并伴星可能是主序星、亚巨星、红巨星或者是氦星 。 随后伴星通过某种方式（自身演化充满洛希瓣或者自身的星风物质损失）将其自身的富氢或富氦物质转移到白矮星表面并发生热核燃烧 ， 这个过程逐渐增加了白矮星的质量 。
当白矮星的质量增加到接近自身最大稳定质量极限——钱德拉塞卡质量极限时 ， 其内核中心或接近中心的位置开始点燃失控式热核燃烧 ， 并随后发展成为超新星爆炸 。 从单简并星模型所得出的光变曲线和光谱都与观测吻合地很好 ， 并且在这一模型中 ， 白矮星爆炸时的质量都十分接近 ， 因此可以很自然地解释Ia型超新星光度同一性问题 。 同时 ， 从星周物质可以发现 ， 超新星爆炸早期来自伴星抛射物的光学及紫外辐射的探测 ， 以及超新星爆炸残留物被星风剥离的痕迹等都能够一定程度上支持单简并星模型 。
然而 ， 这一模型也面临不小的挑战 ， 比如Ia超新星的光谱中普遍并没有探测到氢的发射线 ， 暗示了爆炸抛射物剥离伴星的富氢物质这一现象并不明显 ， 同时理论给出的单简并星模型诞生Ia星超新星的诞生率也无法和观测相比拟 。
在双简并星模型中 ， 由两颗白矮星组成的双星系统相互绕转 。 此时 ， 引力波辐射会消耗双星系统的轨道角动量 ， 两颗白矮星会逐渐靠近以至于最终发生并合 。 根据传统观点的假设 ， 如果两颗白矮星的总质量超过钱德拉塞卡质量极限 ， 那么并合后会诞生Ia型超新星 。
双简并星模型在解释一些观测特征上具有一定的优势 ， 比如它可以解释观测上没有认证残留伴星的存在这一事实、大部分Ia型超新星没有氢线和氦线、Ia型超新星的诞生率和延迟时标分布（从双星系统诞生到Ia型超新星爆炸所经历的时间） ， 以及超亮超新星的成因等 。
然而 ， 双简并星模型也并不完美 ， 比如由于双白矮星并合具有较为宽泛的质量分布 ， 因此在解释Ia型超新星一致性问题上存在困难 。 再如 ， 很多研究表明 ， 双白矮星并合的结局有可能是塌缩为中子星 ， 而不是发生热核爆炸 。 因此到目前为止 ， 没有任何一种前身星模型能够完美地解释Ia型超新星的所有观测特征 。
不同于Ia型超新星 ， Ib/Ic和II型超新星与其前身星系统之间可能并没有十分明确的一一对应关系 。 主要原因是核塌缩型超新星的前身星是大质量恒星 ， 由于在大质量恒星演化过程中 ， 很多过程比如星风物质损失 ， 内部复杂的核反应与弱反应等都具有很大的不确定性 ， 并且大质量恒星的演化结局受金属丰度 ， 也就是前身星所处的寄主星系环境影响很大 。 因此 ， 探索大质量恒星的演化结局是一个十分有趣的话题 。
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