能量足以毀滅太陽10萬次的極超新星是如何誕生的?
據國外媒體報導,極超新星(hypernovae)是宇宙中最強大的超新星爆發,比典型的超新星亮10到100倍。這些能量足以將我們的太陽完全毀滅10萬次,或者足夠供應我們現在的世界在接下來的1000億億億年的總能源消耗。
然而,儘管極超新星的威力毋庸置疑,但它們也極其罕見,在過去幾十年完成的宇宙調查中,天文學家只觀測到了幾十個例子。很少有人知道極超新星的存在,甚至天文學家們都很難對它們進行分類:有時稱它們為“極超新星”,有時又稱它們為“超級明亮的超新星”,有時又將它們歸為常規超新星的各種子類。由於信息非常有限,天文學家甚至難以理解它們是如何形成的,以及是什麼使它們的能量如此巨大。
以下就是天文學家認為推測的幾種極超新星形成方式。
黑洞
當大質量恆星死亡時,往往會伴隨著劇烈的爆炸而消失。在它們生命的最後幾分鐘,會形成緻密的鐵和鎳核。與較輕的元素不同,鐵的聚變會消耗能量,而不是釋放能量。由於沒有能量支撐恆星自身大氣的壓倒性重量,恆星就發生了災難性的坍塌。
然而,就在這顆恆星生命的最後時刻,它被壓扁的核心轉變成一個幾乎完全由中子組成的球,短暫地停止了坍縮,並引發了一次巨大的反彈,隨後就發生了壯觀的爆炸,這就是超新星爆發。
有時,殘餘的核心會留存下來,並像中子星一樣,過渡到一個安靜的、永恆的退休狀態。但是當恆星的質量是太陽的40倍或更多時,這個由中子組成的緻密球體就無法抵抗萬有引力的巨大擠壓,甚至連一絲抵抗的機會都沒有。另一些時候,對於較小的恆星而言,如果條件合適,就會有足夠的物質在最初的爆炸之後坍縮為新生的中子星。
在後兩種情況下,中子星都會自我折疊,沒有任何東西能夠阻止引力做它最擅長的事情:使物體變小。於是,不可阻擋的引力終極來源就出現了:一個黑洞誕生了。
如果這顆恆星快速旋轉,那麼在無數噸物質的旋轉和流入新生黑洞的同時,電和磁的作用會愈加猛烈,創造出發射物質噴流的合適條件。這些物質從黑洞中噴射而出,速度接近光速。這些噴流隨後會與最初爆炸時產生的一切拋射物猛烈撞擊,在猛烈的爆炸中重新點燃它們,從而形成我們在天空中看到的一些極超新星。
極超新星與伽馬射線
雖然黑洞模型能夠解釋極超新星的一些行為,但並不能解釋所有的現象。這些巨大爆炸的另一個潛在來源可能是恆星自身的核心。
在巨型恆星的核心內部,元素融合併以輻射的形式釋放能量。這種輻射推動著周圍的氣體,將其從引力坍縮中支撐起來。這一切相當完美,可以讓恆星持續運轉數百萬年甚至數十億年。但是,你知道電子如何與它的反粒子,也就是正電子結合起來,並釋放出純能量嗎?這是一種高能輻射,以伽馬射線的形式出現。事實上,這一過程反過來可以很容易地發生:如果有一束高能伽馬射線,某一天它可以自發地變成一對粒子,即一個電子和一個正電子。
因此,在一顆恆星核心的“熔爐”中,這種粒子的“成對產生”一直發生著。電子和正電子很快就會找到對方,再次變成輻射,使恆星維持自身平衡。但是,如果這個循環失去平衡,哪怕只有一點點,就會形成過多的粒子對。如果發生這種情況,在粒子再次變成伽馬射線之前的超短時間內,恆星就無法繼續維持。
在剎那之間,一顆比太陽大幾十倍的恆星就崩潰了,在一場超新星爆炸中釋放出遠超過正常水平的能量,從而導致極超新星爆發。
相鄰恆星爆發
有時恆星會自行消亡,就像上述的幾種情況。但有時,恆星會在“朋友”的注視下死去,事情會很快變得非常糟糕。當一對恆星中的一顆爆發並留下一顆中子星後,它的恆星“兄弟”也會被激發,發生劇烈的爆發。
另一些情況下,如果條件合適,爆發的恆星會向其中子星鄰居傾倒足夠多的物質,從而引發失控的核反應。這和激發Ⅰa型超新星的爆發過程是一樣的,只是規模放大了。換句話說,這就是極超新星。
目前天文學家尚不確定哪種機制最為常見,但無論自然界以何種方法製造出這些無比壯觀的事件,這都將是天文學中最引人入勝的課題之一。(任天)