塑造蟹状星云的超新星
F.S. Kitaura, H.-Th. Janka, R. Buras, A. Marek, W. Hillebrandt
译自马克斯·普朗克天体物理研究所网站，2006年6月
马克斯·普朗克天体物理研究所的研究人员解决了蟹状星云形成的难题。他们精细的计算机数值模拟演示了作为一颗十倍于太阳质量的恒星残片的气体云的膨胀，而恒星爆发是由中微子强有力的加热驱动的。当星核坍缩成中子星的时候，这些基本粒子被大量释放了出来。
公元1054年春，当中国和阿拉伯的天文学家们仰望天空的时候，他们在金牛座发现了一颗新的恒星。根据他们留下的历史记录，这颗“客星”在几周内持续增亮，到了7月，甚至有23天时间可以在白天看到它。之后两年，它还可以被肉眼观测到。
现在我们知道，他们观测到了蟹状星云诞生于一次猛烈的超新星爆发的过程。在经历了数百万年的平静演化后，一颗大质量恒星耗尽了它的核燃料，而核燃料提供给恒星抗衡自身引力的能量和压力。当恒星中心的核子火焰熄灭后，星核在几分之一秒内坍缩成一颗中子星，这是一种致密天体，质量与太阳相当，而直径只有20千米。蟹状星云中的中子星是颗著名的脉冲星，在它绕轴以每秒33次的速度自转之时，它发射出周期性的辐射脉冲。
然而，在释放能量大约相当于太阳50亿年内辐射总和的猛烈的爆发中，大多数恒星物质都被抛射了出去。在中国和阿拉伯天文学家记录下新星的时候，炽热的星骸发出闪光，而现在，它们正是我们在蟹状星云中观测到的丝状气体云，横跨6光年，仍旧以每秒1500千米的速度膨胀着（见图1）。它不仅包含有恒星在一连串核聚变阶段——先是将氢融合成氦，然后是从氦到碳，然后从碳到氖、镁和氧——中合成的元素，还包含了放射性的镍这样的物质，这是在爆发过程中刚刚合成的。星云中丰富的氦和较低的碳和氧丰度被认为是爆发恒星只有8至10倍太阳质量的线索，这样的恒星质量刚刚能够以超新星的形式结束生命。
图1：蟹状星云及其脉冲星是公元1054年超新星爆发的气态与致密残留物。甚至在爆发的950年后，被脉冲星加速的相对论性粒子仍使气体发出了蓝色的光芒。外围的细丝主要由瓦解恒星中的氢和氦元素组成。
图片来源：www.spacetelescope.org
图片提供：NASA, ESA and Allison Loll/Jeff Hester (Arizona State University)
特别感谢：Davide De Martin (www.skyfactory.org)
但恒星是如何爆发的？使恒星瓦解的原因何在？来自马克斯·普朗克天体物理研究所的一群研究人员相信，他们找到了这个长期谜题的答案。他们精细的计算机模拟揭示，爆发背后的驱动力是中微子。在新近诞生的中子星高温而致密的内部，这些基本粒子主要被电子和正电子与质子和中子（也就是原子核的成分）间的反应大批制造出来。当中微子朝向中子星表面运动的时候，它们中的大多数都涌了出去，并携带了中子星形成过程中释放的99%的能量。但是，不到1%的中微子在逃逸之前，被中子星周围的恒星气体俘获。这些中微子的能量传输使气体加热，并使其象高压锅中的液体一般沸腾（见图2）。增加的压力最终使外围的恒星物质加速，导致了超新星爆发（详见current research, february 2001）
图2：选自8至10倍太阳质量恒星超新星爆发二维计算机模拟的画面。各图的时间分别是超新星激波产生后0.08、0.1、0.15和0.25秒（顺时针，从左上角开始）。图中可以看到被中微子加热的物质泡的上升，分开它们的是较冷气体向下的窄流。物质泡从中心初生的中子星向外膨胀，并加速了恒星的爆发。注意从左上到左下，各图的径向尺度（单位：千米）依次加大20倍。如此各向异性是爆发950年后蟹状星云不对称外观的种子。这里还有模拟的动画下载。图片提供：Max Planck Institute for Astrophysics
虽然这一关于超新星爆发开始的理论已有了25年的历史，但通过详细的计算机模型证实其可行性是极端困难的（详见current research, june 2003）。现在，至少是对于接近超新星前身下限的恒星，这一模型为理论提供了证据。进行此项模拟的小组成员Francisco Kitaura说：“有了我们对中微子形成和与超新星核心物质作用的精细描述，我们可以确定，中微子加热确实可以驱动猛烈的爆发，就象形成蟹状星云的星骸那样。”新的模型与蟹状星云爆发的能量只是典型超新星爆发的1/10这一观测证据符合得很好。与以往的模拟不同的是，他们还预言，抛射出的碳、氧和镍元素只有很少量（见图3）。而且超新星遗迹中的化学组分几乎没有外来元素的大量富集，因而这带来了传统模型和观测到的银河系中稀有元素的丰度之间的矛盾。由于瓦解的恒星有着很低的质量，而爆发能量也不是很高，产生的放射性物质也较少，其他类似蟹状星云前身的超新星应该较暗，因而很难在远距离内被发现，虽然它们可能占据所有超新星中的1/3。
图3：对8至10倍太阳质量恒星核心坍缩和爆发的计算机模拟。曲线代表了恒星内不同壳层的径向位置随时间的变化。爆发的激波由上升的黑色粗实线标出。图中可见组成中央中子星和被中微子加热驱动的外围抛射物之间的分离。彩色曲线代表濒死恒星内的各成分分界线，可看出只有少量碳和氧在爆发过程中被抛射出去。图片提供：Max Planck Institute for Astrophysics
研究小组的领导者Wolfgang Hillebrandt解释说：“我们的计算机模型说明，蟹状星云超新星之所以看起来有那么明亮，只是因为它距离地球只有6300光年。与其他超新星相比，它实际上只是个很不起眼的事件。我们的计算机模型将告诉我们，为了分辨出更多事例，我们应该留心什么。”
参考资料：
F.S. Kitaura, H.-Th. Janka, and W. Hillebrandt, Explosions of O-Ne-Mg cores, the Crab supernova, and subluminous type II-P supernovae, Astronomy and Astrophysics, 450 (2006) 345-350
更多信息：
Hans-Thomas Janka, thj@mpa-garching.mpg.de
