超新星为什么会比新星多了一个“新”字，爆发的物理机制完全不同

作者：K²

编辑：黄姤

新星和超新星是一类会出现爆发现象的变星，假如有一个由白矮星和红巨星组成的双恒星系统，主星白矮星通过不断吸积伴星红巨星的氢和氦，当白矮星外壳堆积的氢原子聚变生成氦时就会发生氦闪，这种天文现象就是——新星爆发。

(资料图片仅供参考)

图源：网络｜图解：白矮星吸积红巨星后产生新星爆发

爆发的光度会瞬间增亮上万倍，原本漆黑没有星光的空域会突然出现一颗光度非常亮的星星，星光很快暗淡消失不见，这样的星星叫做——新星。

超新星爆发与新星爆发是两种完全不同的天文现象，或者说新星爆发其实就是发生在白矮星表面的氦闪，超新星爆发是引力坍缩导致物质撞击内核的爆炸，爆炸时产生的光度同样是瞬间增亮上万倍的，但是这样的光度会持续数周或者数月，这样的星星叫做——超新星。

图源：网络｜图解：超新星爆发比新星爆发的亮度有明显的差异

新星、超新星——并不是新生的恒星，而是恒星演化到了晚期

银河系拥有4000亿颗恒星，宇宙间的恒星更加是无法估量，这些恒星当中有半大不小的，亮度表里不一的，体积天悬地隔的，无论是年龄、亮度或者体积，太阳都刚刚好处于中间的位置。

自从恒星氢聚变被点燃的那一刻，恒星就有了与引力作长期抗衡的力量，这个力量就是氢聚变反应时产生的膨胀热压，恒星依靠这个力量可以与引力抗衡50亿年，当氢全部聚变成氦之时就会进入氦聚变反应的阶段，或者说处于氦聚变阶段的恒星是膨胀热压战胜引力的，不断向外膨胀的热压让恒星成为了——红巨星。

图源：网络｜图解：恒星演化的阶段·从下至上分别是：原恒星、主序星、红巨星支和水平分支

恒星的氦聚变结束之时，就会进入碳聚变生成氧的反应，氧聚变生成镁，镁聚变生成硅，最后是硅聚变生成铁。当所有的硅聚变成铁时，硅聚变反应就结束了，恒星就再也没有了与引力抗衡的力量，那么恒星就会根据质量演化成黑矮星、中子星或者黑洞。

图源：网络｜图解：质量不同的恒星会有不同的归宿

恒星演化到了晚期体积会因引力的作用不断缩小，泡利不相容原理告诉我们两个电子是不可能同时出现在同一个位置上的，当体积缩小到让电子处于简并态时，产生的电子简并压力足以和引力相互抗衡，以这种机制抗衡引力的天体称为——白矮星。

图源：网络｜图解：恒星演化成白矮星的过程

演变成白矮星之后经过上百亿年的冷却，最终不再发光和发热，此时的星体不再是白矮星，而是黑矮星，由此冷却的时间甚至有可能超过宇宙的年龄，目前还没有探测到有黑矮星的存在。

图源：网络｜图解：黑矮星假想图

影片《流浪地球》中的“流浪计划”是前往三体人所在的恒星系统，多星系统是宇宙常见的恒星组合，单星系统是很稀有的。

当白矮星是双星系统中的主星时强大的引力会吸取伴星星体上的氢和氦，在吸取物质的同时白矮星是体积也会不断缩小，氢聚变生成氦时会释放出巨大的能量和猛烈的氦闪爆炸，让白矮星的亮度迅速倍增，这就是——新星。

图源：网络｜图解：《流浪地球》中的氦闪·新星爆发

白矮星是否会出现二次、三次、四次或者更多次新星爆发完全取决于伴星的质量和白矮星的性格：

例如白矮星的性格是温和的，比如小质量的白矮星发生第一次新星爆发时会把吸取过来的物质全部抛洒到星际空间，然后就可以再次吸取伴星的物质，进而可以发生二次到更多次的小规模爆发，或者说这些小规模爆发是新星爆发，也就是新星。

假如白矮星的性格是刚烈的，比如大质量白矮星增加质量与体积是反比关系的，当质量达到了钱德拉极限的1.44倍太阳质量时，简并压力与引力的平衡就会被打破，白矮星就会继续坍缩，全部的氦聚变成碳时会发生猛烈的爆炸，爆炸不仅会将全部气体吹散，还会瓦解白矮星，这样的大规模爆发是Ⅰa型超新星爆发，也就是Ⅰa型超新星。

根据恒星演化标准模型，8倍太阳质量以上的恒星会演化成黑洞或者中子星，8倍太阳质量以下的恒星会演化成白矮星。

图源：网络｜图解：恒星演化示意图

超新星的类型以及作用

按照超新星光谱中元素的吸收线可以划分为以下几种类型：

Ⅰa型超新星；

Ⅰb型超新星；

Ⅰc型超新星；

ⅡP型超新星；

ⅡL型超新星；

图源：网络｜图解：超新星类型

Ⅰa超新星爆发都是由白矮星产生的，爆发的机制和性质相差无几，质量都是1.4倍太阳质量，光变特点都是超新星爆发后的亮度瞬间增强，这种高亮度的状态会持续30天然后慢慢变暗。

食变双星是双星系统中的主星与伴星互相绕转时会周期性遮蔽，亮度会有强暗的变化。所有Ⅰa型超新星爆发时的绝对亮度都是同等的，根据这个特点可以计算出它与地球的距离，利用这个特点计算出的距离比天琴座RR型变星、食变双星和造父变星还要精准。

天琴座RR型变星只适用于邻近星系和银河系内几万亿差距内的星体距离，食变双星和造父变星只适用于30亿光年秒差距内的星体测量，但是Ⅰa型超新星可以测量数百亿秒差距的星体距离，利用这个特点探测到了那些遥远距离的Ⅰa超新星。

图源：网络｜图解：Ⅰa超新星爆发

客星与超新星、新星之间的联系

自从发明望远镜以来就没有在银河系内观测到过超新星爆发，望远镜出现之前，我国的古人通过肉眼观测到超新星，并将这些突然出现的星星称为「客星」，文献中也有过的记载：

185年——南门客星；

386年——南斗客星；

1006年——骑官客星；

1054年——天关客星；

1181年——传舍客星；

1572年——阁道客星；

1604年——尾分客星；

有着“肉眼望远镜”之称的丹麦天文学家第谷和有着“天空立法者”之称的开普勒，分别也用肉眼观测到了第谷超新星和开普勒超新星，经过科学家的考证，第谷超新星就是阁道客星，开普勒超新星就是尾分客星，M1蟹状星云就是天关客星。

虽然银河系有4000亿颗恒星，然而却很少有超新星爆发，Ⅰa型超新星就更加罕见了，无迹可寻的南门客星、南斗客星、骑官客星和传舍客星这4个客星就是新星。

图源：网络｜图解：M1蟹状星云·天关客星

我国的古人将超新星和客星统称为客星，根据客星的亮度和大小将它们分成5个类型：

亮度呈黄色且外形较大的，称为——周伯星；

亮度呈白色且外形较大的，称为——老子星；

亮度呈粉色且略有闪动的，称为——王蓬絮星；

亮度呈黄白色且有芒角的，称为——国皇星；

亮度呈白色且闪动明显的，称为——温星；

图源：网络｜图解：新星或超新星爆发时的光度

K²结语·第谷超新星·阁道客星

超新星爆发时会将白矮星的气体物质以星体为中心向星际空间抛洒，这些物质在辐射波的带动下快速膨胀，即使是451年后的今天阁道客星·第谷超新星爆发的余晖目前还在以每秒5000千米的速度继续向外膨胀，现今已成为赫赫有名的超新星遗迹。

超新星爆发是一个罕有的天文现象，即便银河系拥有4000亿颗恒星，然而却很少观测到超新星爆发，Ⅰa型超新星就更加罕见了。根据目前的统计，每100年才会发生2~3次超新星爆发，在银河系内并没有观测到过任何的超新星爆发。

图源：网络｜图解：超新星爆发遗迹

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关键词： 超新星爆发 恒星演化 第谷超新星

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