新知丨宇宙中的“定时炸弹”？
2016/8/7 中科院之声
超新星是大质量恒星演化的终点，同时也是一颗“定时炸弹”
大恒星的死亡之路
超新星其实就是恒星死亡时的回光反照。夜晚我们在天空中看见的星星，除少数几个外，几乎全都是恒星。这些恒星的质量，从太阳质量的0.07倍到100倍左右不等。其中质量大于等于8倍太阳质量的恒星属于大质量恒星，质量介于3倍～8倍太阳质量的恒星属于较大质量恒星。大质量恒星的数量并不多，它们的寿命相对而言很短，在演化到生命终点附近时就会发生爆炸。此外，恒星的质量越大，寿命就越短。在发生爆炸时，恒星的亮度会急剧增亮，就成为了超新星。
相比之下，较大质量恒星若是双星系统的成员，在它们寿命终点前，会先演化成为致密的白矮星。白矮星巨大的引力和磁场作用会在自己表面吸引来自伴星的气态物质流，质量也因此逐渐增大。在质量达到接近或超过1.4倍太阳质量时，白矮星会突然塌缩爆炸，急剧变亮而成为另一种超新星。
由此，我们知道了两类超新星。上述的前者叫做II型超新星，如公元1054年的那颗超新星就是典型的II型超新星。由于爆炸从恒星内部开始，而且必须通过浓厚的氢气层，所以恒星的极大光度受到限制，而且变亮速度较慢，光谱中自然地就有明显的氢谱线。恒星中心的一些物质在极其巨大的压力下，会被压缩成特殊的星体，如中子星或者黑洞。中心体的质量介于1.4倍～2倍左右太阳质量之间时即为中子星，当它们的旋转轴与我们观测它们的视线方向的夹角不大时，我们会接收到它们发来的短周期脉冲信号，故而也被叫做脉冲星；中心质量大于2倍左右太阳质量的则肯定会变成黑洞。
上述的后者叫做I型超新星，典型的I型超新星，如公元1006年的超新星。由于爆炸时没有浓厚氢气外壳的遮光作用，最大亮度很亮，且变亮非常迅速，光谱中不含有氢谱线。I型超新星的爆炸会把整个恒星炸毁，中心不会留下特殊星体，正所谓彻底地“毁尸灭迹”了。
超新星遗迹与“再亮”
超新星爆发后被粉碎的残余物质会继续留在太空中原来位置附近。它们在空间分布的尺度，会在相当长的年代里在爆炸激波推动下不断地扩大，形成一些形状特殊的遗迹星云。如公元1006年超新星遗迹星云称为 RCW86，公元前48年超新星遗迹中则有脉冲星 PSR J1833-1034 等。而对于著名的蟹状星云，从它的膨胀速度推算，这颗超新星应该爆发于公元1054年前后，这与中国古籍《宋史》中记载的北宋至和元年出现的“周伯星”(“天关客星”)出现的时间不谋而合，加之超新星的对应和它内部脉冲星的发现，给大质量恒星发生II型超新星爆发后形成中子星的理论提供了一个强有力的验证。
超新星遗迹星云均在不停地膨胀中，由于爆炸产生的冲击波和高能粒子，与早期演化遗留下的行星状星云物质相互作用，会在射电、红外、光学、X射线、g射线等波段产生相当强的特殊辐射。所以，在超新星爆炸后的一定时间后还可能再次变亮。如公元1006年超新星在10年后的公元1016年就再次变亮，被史书记载为“周伯星再亮”。而1987年发现的 SN1987A 超新星遗迹，从1994年起哈勃望远镜就拍下了它的漂亮的环状结构。
之所以如此，是因为在恒星演化过程中会不断地向四周抛射出许多物质，特别是在它们的中心氢燃烧完毕后，外壳变得很大而中心又向内收缩，从而在核心外围形成向外不断膨胀的气壳；在恒星变成超新星而爆发后，首先辐射能以光速传播，从而能够在数月到数十年时间后赶上物质外壳，于是外壳因散射、激发辐射等方式发光，其亮度通常达到超新星极大亮度的百分之几以上。
不同类型超新星的这种结构尺寸不尽相同，光速辐射追赶上低速星壳所需的时间长短也很不相同。II型超新星的前身星是大质量恒星，演化速度很快，由红巨星到超新星爆发之间的时间很短，所以星体外的抛洒物质壳层的半径很小。比如 SN1987A 的内环半径仅0.65光年。而超新星爆发后的0.65年内仍然相当明亮，所以人们看不出有再次变亮。相比之下，I型超新星的前身星是双星中的较大质量恒星，演化速度要慢得多，从红巨星到超新星爆炸，中间还要经过漫长的双星演化和表面物质吸积过程，需要非常长的时间，所以壳层的半径可能达到10光年。公元1006年的超新星在10年后的亮度，至少应达到了-3等左右，所以中国宋代天文学家记载下了“周伯星再亮”，而且这种变亮会延续相当长的时间。
哈勃空间望远镜从1994年起观测到了超新星1987A的类似情况，即在爆发7年之后也出现了变亮的情况。而且这种变亮不是超新星爆发的光辐射回声，而是超新星爆炸抛射出的物质以每秒上万公里的速度到达时碰撞激发的变亮。变亮也要延续相当长的时间。由于现代望远镜具有极高的角分辨率和时间分辨率，所以能观测到它复杂的环状结构及其随时间的变化。
其实所有的超新星爆炸后都会有这种再发亮的现象。而且都应当具有复杂的环状结构。只是一般的超新星都过于遥远，极大亮度本来就看起来不够亮，而“再亮”的亮度更暗，所以能看到的机会就更少了。
现代天文学与古代记载“握手”
目前，两大类超新星共留下了3类超新星遗迹。第一类如1006年超新星的遗迹，是I型超新星留下的中心空旷的环型扩张星云。这类遗迹占目前发现的超新星遗迹的80%左右。第二类如1054年超新星的遗迹，是II型超新星留下的中心存在一颗中子—脉冲星的蟹状星云。第三类如船帆座超新星的遗迹，中心具有致密天体，但外围仍然是壳层结构的星云。它们与一般的弥漫星云不同，会在爆炸激波和物质流的推动下继续向外扩张。因此，根据测量得到的扩张速度回溯推算，就可以大致地推测出超新星爆发的年代。
对于有些弥漫星云，人类原本不知道它是一颗超新星爆发的遗迹。但是从它的膨胀性质、高能辐射特征等认定它很可能是超新星遗迹。根据它的膨胀速度往回推算出它们大致的爆炸年代，再从历史记载中寻找线索，居然可能与一些历史记载互相符合。比如 RCW86(G315.4-2.3)与公元185年“中平客星”符合；G11.2-0.3与公元386年超新星符合；SNR393 与公元393年超新星相符合。这一情况，把古代天文文献与现代天文学联系起来，显示了人类文明史的不间断的链接，也彰显了现存古代天文文献的价值。
位于南天的船帆座超新星遗迹，对应的超新星爆发时代应在大约10000万年前，迄今无文字记录可与之对应。天鹰座的 W50 遗迹的情况也是如此。在银河系内，目前人类已经发现了200多个超新星遗迹，而人类文明史记载的银河系内超新星却仅有10余个。
来源：中国科学院国家天文台《国家天文》杂志
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