鐵核坍縮導致星體瓦解，產生核坍縮超新星爆發

2020-10-29 太空生物學

作者：黃媂

大質量恆星，是指質量超過8倍太陽質量的恆星。大質量恆星發生演化的時候，它的核心能夠進行的核反應比類似於太陽這種小質量恆星要深入得多，對於小質量恆星來說它的核心最多只能生成到「碳」和「氧」，但是大質量恆星可以一直生成到「鐵」，所以大質量恆星在核心區域依次地進行氫、氦、碳、氧、氖、矽這樣的核反應，最終形成一個「鐵核」。

氫的聚變核反應所維持的時間是最長的，越往後面核反應進行的時間就越短，最後鐵的形成是以天或者秒作為時標來進行的。

圖解：方框圖展示的是，每次核反應所經歷的時間

大質量恆星核反應的過程

1.當鐵核形成後，恆星核心不再進行新的核反應

當恆星一旦脫離「主序」之後，根據大質量恆星在「赫羅圖」上的變化，可以得出恆星伴隨著核心和殼層元素的燃燒過程，也可以看到恆星具有不同的特點，因此大質量恆星在脫離了「主序」階段之後表現為「超巨星」、「超新星」、「沃爾夫-拉葉星「又稱「W星」或「WR星」，是具有輝明譜線的O型星」」等等。

當大質量恆星的核心形成了「鐵」之後，因為鐵元素沒有辦法進行新的聚變反應，所以在核心的核反應就終止了，這就意味著恆星已經走到生命的盡頭了，這個時刻越靠近恆星內部的區域，元素也就越重，此時恆星的內部是不穩定的，只有通過核反應才能提供足夠多的熱量和壓強來抵抗恆星的引力。

2.由於沒有核聚變反應，鐵核內的氣體和輻射壓強無法抗衡引力

當恆星的核心形成了「鐵」之後，抵抗的能源已經消失了，於是鐵核就發生坍縮，坍縮幾乎是以自由落體的方式來進行的，所以坍縮的過程是以非常快的速度進行的。

3.在很短的時間內，鐵核坍縮成一個幾十千米大小的結構

鐵核會在很短的時間裡面會坍縮成一個只有幾十千米大小的結構，在這麼小的結構裡面，由於坍縮過程的物質密度變得特別高，所以原子核之間的碰撞以及原子核和光子之間的相互作用變得非常頻繁，在這個時候鐵核已經完全破碎了，所有的原子核和電子都分開來了，甚至重的原子核也不存在了，它進一步分裂變成了質子和中子，但是質子又很難保持長時間的壽命，因為它們會和電子結合衰變變成中子，於是恆星的核心區域幾乎都是由中子構成的，這就是一個原初的「中子星」。

4.下落的物質高速撞擊中子星表面時產生大量的中微子

中子星和「白矮星」是類似的，中子星也有「簡併壓力」，簡併壓力可以支撐引力，由於它的密度特別高，所以中子星可以是宇宙裡面最緻密的星體，在核心形成一個元初的中子星之後，恆星包層的物質仍然在下落，這時下落的物質會高速地和中子星的表面會發生撞擊，因此會產生一個向外的反彈激波。

5.激波擴散並破壞整個恆星，將物質高速拋向星際空間，同時釋放大量能量

下落的物質在撞擊恆星表面的過程中會有大量的中微子被釋放出來，中微子會給激波傳遞能量使得它向整個星體擴散，於是整個恆星的包層都因為這個原因被炸碎了，同時釋放了大量的能量，這個過程稱為「核坍縮超新星」或者說「核坍縮超新星爆發」，原因是由於核坍縮導致中心形成一個緻密的天體，恆星的整體都被炸碎了。

核坍縮超新星的威力

核坍縮超新星爆發所釋放的能量是非常巨大的，它總的光度是隨著時間演化的，一開始是迅速地上升，然後緩慢地下降，上升的時刻是以「天」作為時標的，幾天內迅速上升到10⁷-10¹¹L，而下降的時刻是以月或者年來作為時標衰減。在光度極大值的時候，核坍縮超新星爆發的光度可以比太陽的光度高1,000萬倍到100億倍。

圖解：1987A超新星爆發光變曲線

超新星爆發的光度甚至可以和整個星系的光度比擬，儘管光度非常高，但實際上它只佔整個超新星爆發裡面非常小的一部分，因為整個爆發所釋放的能量達到了10⁵³爾格，其中絕大部分是由中微子帶走了，真正通過可見光產生的輻射只有1/10000左右。

大質量的恆星的超星爆發可以把恆星的絕大部分的包層物質都拋向了星際空間，這個時候高速向外運動的氣體和星際空間裡面的物質或者是磁場相互作用，也會形成一個瀰漫的氣體雲，這個氣體雲稱為「超新星遺蹟」，其中最著名的是「蟹狀星雲超新星遺蹟」，在蟹狀星雲超新星遺蹟的中心，發現了一顆高速轉動的中子星，稱為「脈衝星」，所以超新星遺蹟和中心的中子星支持大質量恆星演化的基本理論。

不同質量恆星演化的結局

  • 小質量恆星以及中等質量的恆星，它們內部的核反應一般終結在碳、氧、氖、鎂這些元素的生成，所以它們是以一種相對平靜的方式來死亡，經過的歷程跟太陽有一點類似，最終演化成一顆「白矮星」，白矮星的質量和化學成分取決於初始恆星質量的大小。
  • 質量更高的恆星通常會發生超新星爆發它的核會發生坍縮，坍縮的結果取決於核的質量以及爆發的強弱，可能會形成一個中子星，也可能會形成一個黑洞，所以白矮星、中子星和黑洞是恆星演化的三種最終的結局。

圖解：不同質量恆星演化圖

在恆星演化的過程中，它不僅僅能夠使得恆星夠發光、維持恆星的生命，它還有一個重要的作用就是不斷地生成重元素。在我們身體血液裡面的鐵元素，主要就是通過超新星爆發形成的，所以我們都是恆星演化的後代。

太陽系裡或者地球上的鐵元素，是來自於前一代或者前幾代恆星演化所產生的結果，因為恆星演化不斷地通過內部的核反應以及恆星爆發過程把生成的重元素拋到星際空間裡面啊，這就使得星際空間裡面的元素，特別是重元素的豐度就增加了，於是它們形成下一代恆星的時候，這些恆星自身的重元素含量就比前一代要更高，這樣循環下去越往後恆星內部的元素分布就會越高。

作者：黃媂

相關焦點

  • 如果距離地球四光年的恆星發生了超新星爆發,我們會怎麼樣?
    超新星爆發的原因恆星是一個恆星系中最核心的星體，也是我們探知宇宙最易發現和最易上手研究的目標，和生命一樣，恆星也具有「生老病死」的生命周期，從不斷吸聚周圍星際氣體和塵埃物質誕生恆星以後，隨著時間的推移，恆星也會在核聚應的物質積累過程中，隨著宇宙演化的步伐同時延伸自己的演化進度條，而超新星就是恆星演化路途中的一個特殊階段。
  • 超新星爆發不僅是恆星演化和拋灑元素的過程它還有一個重要的作用
    在大質量恆星的核心出現了幾乎完全由中子構成的結構之後，恆星的外表層繼續下落的過程裡面，當物質撞擊在中子星的表面就會產生巨大的能量釋放，會導致整個表層的反彈，而且恆星在這個時候有兩個特殊的過程同時在進行著，一方面是恆星的核在坍縮，另一方面是物質在下落的過程裡面和核的碰撞又會導致外表層的膨脹，這種膨脹是以非常高的速度來進行的，這就是所謂的「超新星爆發現象」。
  • 蔚為壯觀的超新星爆發,為什麼如此值得研究?
    那麼，為什麼要研究超新星呢？超新星爆發是非常壯觀的，亮度可以一下子提高100億倍，是現在已知恆星世界中最激烈的爆發現象。天體物理學家一般認為，超新星是恆星演化的一個十分關鍵的階段。對於質量比太陽大3.5倍以上的恆星，在其演化的晚期，核心部分的核能源用盡之後，會發生星體核心的大坍縮，並由此引起一種核反應而導致星球大爆炸。
  • 為什麼鐵元素會引發超新星爆發?地球上那麼多鐵會很危險嗎?
    因此，鐵能觸發超新星產生爆炸，但不會對行星運行產生任何影響。不同質量的恆星最終的核聚變產物會有差異恆星內部之所以能夠進行核聚變，來源於恆星形成初期，周圍大量氣體物質和星際塵埃不斷聚合的結果，隨著吸積物質的逐漸增多，內核引力逐漸增大，引發重力坍縮，加劇物質碰撞，溫度持續上升，壓力不斷加大。
  • 參宿四亮度劇烈變化,萬一超新星爆發,碎片會飛到地球嗎?
    導致參宿四亮度變化劇烈是因為它複雜的氣殼變化以及出現在參宿四表面巨大的對流胞（相當於太陽上的米粒組織）。，與太陽的後期的光度變化原因類似（太陽主要是氦閃），但參宿四這樣的恆星並不會經歷氦閃或碳閃，但它會經歷內核坍縮溫度劇增後的劇烈殼層氫燃燒階段，這是紅巨星的原因，這個階段的燃燒會隨著內核的變化而極不穩定，所以現在參宿四的內核處在什麼變化階段，何時會超新星爆發，天文學家也不知道。
  • 參宿四超新星爆發熄滅後，夜空會暗多少？科學家說：七分之一！
    導致參宿四亮度變化劇烈是因為它複雜的氣殼變化以及出現在參宿四表面巨大的對流胞（相當於太陽上的米粒組織）。，與太陽的後期的光度變化原因類似（太陽主要是氦閃），但參宿四這樣的恆星並不會經歷氦閃或碳閃，但它會經歷內核坍縮溫度劇增後的劇烈殼層氫燃燒階段，這是紅巨星的原因，這個階段的燃燒會隨著內核的變化而極不穩定，所以現在參宿四的內核處在什麼變化階段，何時會超新星爆發，天文學家也不知道。
  • 為什麼鐵元素會引起超新星爆發?地球上那麼多鐵會不會很危險?
    在大質量恆星演化到生命的末期，當低原子序數的元素燃燒完時就會發生超新星爆發。那麼地球上有那麼多的鐵，地球會不會很危險？其實大可不必擔心，地球上的鐵是不會引起超新星爆發的，至於為什麼？我們得先從恆星演化說起。
  • 什麼是超新星?
    對於中小質量的恆星來說，生命結束後都會變成白矮星，而大質量恆星最終都將因其中心出現動力學非穩定性而導致坍縮，並產生超新星爆發的現象 。超新星爆發時釋放出大量的光和能量，在短時間內亮度快速增加。超新星的爆發是一件非常罕見的天文現象，雖然20000光年範圍內的超新星爆發都可以用肉眼觀測到，但上一次觀測到超新星爆發並且有明確記載的，還是在1604年。
  • 激變變星、Ia型超新星、核坍縮超新星三種天象的本質是不一樣的
    通過對新星爆發的記錄，可以去研究在白矮星雙星系統裡面所發生的物質的交流過程以及核反應的過程，對於雙星演化、對於白矮星性質的影響，因為「武仙座·1934」爆發過程從起源上來講是由於物質傳輸所導致的，這個物質傳輸過程並不因為新星爆發而停止，所以一次新星爆發結束之後，接下來的物質傳輸還可能會導致下一次的新星爆發，會周而復始地發生這個現象，所以新星爆發在理論上面都是會重複發生的，因此稱為「再發新星
  • 超新星爆發:伽馬射線暴只屬於最強者
    天文學家使用甚大陣射電望遠鏡（VLA）發現，產生伽馬射線暴（GRB）的超新星爆發與不產生的爆發之間存在「缺失的一環」。科學家發現，於2012年觀測到的一個恆星爆發具有產生伽馬射線暴的很多特徵，但最終卻並沒有產生。
  • 核心坍縮超新星，在爆炸前，就損失了1.5個太陽質量！
    超過8個太陽質量的恆星以超新星的形式結束時，這些單星超新星被稱為核心坍縮超新星，因為當它們稠密的核心(在這個階段主要由鐵構成)不再能夠承受向內的引力壓力時，會在爆炸前向內坍縮。具有強氫發射線的核心坍縮超新星被認為是紅巨星爆炸的結果。紅巨星是一種大質量恆星，演化已經過了燃燒氫的基本階段。
  • 640光年外的參宿四超新星爆發，真會威脅到地球嗎？
    當然鐵核形成時，恆星距離超新星爆發可能就只能以分鐘計算了，外殼和內核在沒有輻射壓的支撐下坍縮，將會導致溫度迅速增加，參宿四的質量大約是太陽的12倍左右，不至於形成黑洞，因此坍縮時可能會經歷如下情形：失控的核聚變：內核周圍的非鐵元素將瞬間達到聚變條件。
  • 太陽會發生超新星爆發嗎?
    隨著引力的不斷加強，這些原始的天體內的氫元素相互撞擊力度不斷加大，最終會引爆氫元素的核聚變反應，放出巨大的能量，並同時生產出氦。產生的能量會向外輻射加熱外圍的粒子，使它們不會落入到內部去。於是核心地帶的聚變反應消停了一會，但是與核心地帶緊鄰的外圍氫元素對聚變的溫度要求沒有那麼苛刻，於是核聚變開始外移。隨著原來核心附近的氫元素核聚變釋放能量生成更多的氦元素，這些氦元素就又落入到恆星核心處，隨著氦元素不斷在恆星中心聚集，導致恆星核心的物質密度、溫度不斷增加，終於開啟了第二輪核由氦元素聚變生成碳元素的反應。此刻，恆星核心之外聚變還處於氫→氦的過程。
  • 超新星爆發是製作元素的工坊，超新星爆發遺蹟物質組成恆星及生命
    大恆星的死亡導致了超新星的爆發，這對宇宙的天體結構將是一種衝擊，超新星爆發附近的星球，大約10000億公裡範圍內的星球都將慘不忍睹，一些靠得太近的恆星也許會解體或者恆星外圍的氣體將被吹走，行星則早就被吞噬了。
  • 宇宙中的第一顆星體是如何形成的？它是什麼星球？
    第一代恆星既然宇宙中到處漂浮著這些由氫、氦組成的氣體雲團，由於早期宇宙物質分布的不均勻，第一顆恆星就因為由引力主導而導致的氣體雲團坍縮中形成，一些理論認為，第一顆恆星的誕生時間很可能在宇宙由於第一代恆星主要由氫構成，所以核聚變帶來的發光發熱非常的劇烈，因此在亮度上要比現在的恆星亮甚至達到數千萬數億倍，不過，雖然比較絢麗，但是第一代恆星的壽命都很短暫，通常只有1000萬-1億年左右，這遠小於身為黃矮星的我們的太陽的100億年。在第一代恆星壽命將盡時，它們會進行宇宙中最暴裂的天文現象——超新星爆發，將大量的重元素拋向宇宙空間。
  • 如果距離四光年的恆星爆發超新星，地球會怎樣？我們該何去何從？
    什麼樣的恆星才會發生超新星爆發？超新星是大質量恆星在生命末期的一個劇烈爆炸階段，大都是內核坍縮引起，整個超新星爆發過程中所釋放的能量超過太陽在整個生命周期內的輻射能還要大，所以超新星也是一個劇烈的能量爆發過程，因此即使它在極其遙遠的宇宙深處，天文學家也能發現它的存在！
  • 超新星爆發就是天體爆炸，若黑洞也會爆炸，那麼宇宙就是由此而來
    從嚴格意義上來講，現在已知的唯一一個天體爆炸現象就是超新星爆發了。當大質量的恆星進入生命末期的時候，就會發生超新星爆發，進而坍縮為中子星或黑洞。恆星之所以能夠存在於宇宙之間，是因為恆星內部核聚變釋放的能量所產生的輻射壓與恆星本身巨大的引力相平衡，而隨著聚變進行到鐵元素，聚變過程由釋放能量轉為吸收能量，聚變所產生的輻射壓也就消失了。
  • 超新星爆發就是天體爆炸,若黑洞也會爆炸,那麼宇宙就是由此而來
    從嚴格意義上來講，現在已知的唯一一個天體爆炸現象就是超新星爆發了。當大質量的恆星進入生命末期的時候，就會發生超新星爆發，進而坍縮為中子星或黑洞。為什麼會發生超新星爆發呢？隨著恆星燃料的耗盡，核聚變進行到了鐵元素，而鐵元素的聚變非常特殊。恆星的內部核聚變會釋放大量的能量，而鐵元素的聚變過程非但不會釋放能量，反而還會吸收大量能量。恆星之所以能夠存在於宇宙之間，是因為恆星內部核聚變釋放的能量所產生的輻射壓與恆星本身巨大的引力相平衡，而隨著聚變進行到鐵元素，聚變過程由釋放能量轉為吸收能量，聚變所產生的輻射壓也就了。