失敗的超新星與驚天引力波

阿盟說

對於很多讀者尤其是喜歡天文的讀者而言，「超新星」是一個比較熟悉的概念。那麼，「失敗的超新星」又是什麼？它們是怎麼產生的？它們與 2016 年年初震驚世界的引力波有什麼密切關係？如何尋找失敗超新星？它們被發現了嗎？

今天，阿盟為大家帶來文章先談談前三個問題，後兩個問題將在下篇討論。

撰文：王善欽（加州大學伯克利分校天文學系）

責編：寒凌旭

審校：鄭永春

??

?

什麼是超新星？????

一個星體突然出現或者突然變亮，然後它的真實亮度在一二十天的時間內（有時候要幾十天甚至上百天）達到上億個太陽那麼亮（大多數達到數十億個太陽那麼亮，極少數甚至達到上千億個太陽那麼亮），然後又在此後幾百天時間裡慢慢變暗，這樣的天體物理現象，大多數是「超新星」爆發。超新星有很多種來源。以下簡單介紹。

M51星系中爆發的超新星 SN 2011dh（白色箭頭所指，又見左下的小圖）

（圖片來源：Rafael Ferrando, Observatory Pla D』arguines）

初始質量低於8個太陽質量的中等質量恆星最後會演化為白矮星，如果白矮星有一顆伴星，就會從伴星那裡「竊取」物質，達到一定質量時，就會爆炸，形成超新星（如下圖右側圖）；如果白矮星的伴星也是白矮星，二者最後碰撞在一起，也會爆炸為超新星（如下圖左側圖）。

左：兩顆白矮星不斷靠近，最終合并爆炸為超新星；右：一顆白矮星「竊取」另一顆恆星的物質，最終發生爆炸。（來源：Wikipedia Commons and Discover Magazine）

質量超過太陽 140 多倍的恆星因為溫度太高，會形成「對不穩定超新星」。下圖為「對不穩定超新星」形成的示意圖，圖右邊為核心放大後的圖像，圖中PRESSURE表示伽瑪射線光子產生的輻射壓強，GRAVITY表示星體自身的重力，這二者互相平衡。波浪線代表光子，黑白粒子代表正負電子對，因為溫度過高，核心產生的光子會成對地變為一對對正負電子，然後形成一對對正反中微子，中微子穿透力很強，輕鬆逃出星體，導致星體收縮，溫度進一步升高，引發惡性循環，最終迅速炸毀。有些學者曾經認為SN 2006gy 就是這麼爆炸的，但實際上後續研究認為不是。Wikipedia百科依然誤以為SN 2006gy 是這麼爆炸的。

對不穩定超新星的爆炸示意圖

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Pair-instability_supernova）

而初始質量在8到140個太陽質量的大質量恆星，在衰老之後會形成超巨星、亮藍變星、沃爾夫-拉葉星等多個種類，它們耗盡燃料之後，會直接坍縮，然後爆炸，形成的「核坍縮型超新星」。

綜合不同的模型進行的理論估算的結果，銀河系每年會形成1～7個超新星。不過由於塵埃遮擋，地球上的人類可能平均幾百年才會看到一個，運氣極好時，才有可能在四五十年內觀測到兩個（1572年與1604年）。從1604年之後開始到現在，人類觀測到的超新星都是銀河系外的超新星。

成功的超新星

與失敗的超新星

白矮星與140個太陽質量的恆星有關的爆炸，幾乎都是成功的，即使有個別失敗了，也極難被確認出來。因此我們要討論的重點是8到140個太陽質量恆星的爆炸是否都會成功地成為「核坍縮型超新星」。（注意，「140」這個數依賴於星體的金屬含量，並不是一個確定值。）

初始質量在8～140個太陽質量以上的大質量恆星，演化到晚期，中心形成了氧-氖-鎂核心或鐵核心，核反應停止，因此無法再產生輻射來抗衡自身引力，導致核心迅速收縮，核心形成「原中子星」。原中子星表面很硬，將下落的星體物質反彈上去。反彈出去的物質會很快就喪失能量，重新向中心掉落，這個過程就如你將籃球砸向水泥地，水泥地將籃球反彈到空中，籃球又很快落向地面。

如果事情就發展到這個程度，宋代中國人就別指望看到1054年出現在天空的那個超新星，因為它是內部為氧-氖-鎂核的恆星爆炸形成的；1987年的天文學家也別指望看到大麥雲中爆發的那個超新星 SN 1987A ，因為它是內部為鐵核的恆星的爆炸產生的。

1054年被觀測到的超新星留下的遺迹就是著名的蟹狀星雲，圖為哈勃太空望遠鏡所拍攝的蟹狀星雲（圖片來源：NASA/ESA）

SN 1987A爆發後（左）與爆發前（右邊白色箭頭所指的光點）

（圖片來源：Anglo-Australian Observatory/David Malin）

能夠讓這些恆星不以那麼憋屈的方式默默死去、而形成人類看到的一些壯觀的超新星，其關鍵推手就是中微子。在物質下落的同時，原中子星表面會發射出大量高能量的中微子，總能量高達10的46次方焦耳，這些中微子衝擊著落下來的那些物質。中微子與普通物質的反應非常微弱，幾乎會無障礙地穿過物質，但由於超新星內部的物質密度比較大，中微子與這些物質有一定的相互作用，會將中微子攜帶的約百分之一的能量（10的44次方焦耳）傳遞給物質，將星體重新炸開，使其成為壯觀的超新星。輻射完中微子之後，「原中子星」成為「中子星」。

核坍縮型超新星的形成過程：坍縮（b、c）、反彈（d、e）、中微子驅動（f）（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Supernova#/media/File:Core_collapse_scenario.svg）

但中微子並非萬能，它不可能將任意多的物質推開。近年來最先進的數值模擬表明，初始質量在8-11個太陽質量的星體，可以通過原中子星反彈物質、中微子衝擊物質而成功炸開。這些就是成功的超新星爆炸。但是，對於更重的星體，炸開的難度就大多了。有些情況下，根本無法炸開，這樣的爆炸就是「失敗的超新星」。 中微子就如一個舉重高手，它們能夠舉起的重量是有限的，超過這個限度，杠鈴就掉下來了。當然，如果有其他能量（如旋轉能）來幫助中微子，那有可能會將更重的星體炸開，但這種情形並不多。

此外，在2009年的一篇重要的綜述論文中，Smartt 就從觀測的角度指出，一些超新星爆發前是紅超巨星，但它們的質量都低於18個太陽質量。那麼，超過18個太陽質量的紅超巨星會如何？事實上，很多人都認為這麼重的紅超巨星可能成為失敗的超新星。

因此，現在理論與觀測都認為，大質量的恆星中，大約三分之一會成為失敗超新星，剩下三分之二成為成功爆發的超新星。

失敗超新星的產物

與引力波

失敗的核坍縮型超新星的產物是什麼？答案是：黑洞。這是因為，一個有希望成為核坍縮型超新星、但最後卻炸不開的恆星，演化到最後，剩餘的質量一般不低於四五個個太陽質量（初始質量為十幾個太陽以上），因為無法炸開，幾乎所有物質都向內掉落，形成的中心天體就有四五個太陽質量以上。這超過了白矮星的最大質量（約為1.4個太陽質量）與中子星的最大質量（約為2到3個太陽質量），因此只能形成黑洞。如果演化到後期還剩下幾十個太陽質量，最後形成的黑洞就有幾十個太陽質量那麼大。

上：恆星死亡後形成的恆星級黑洞的藝術想像圖（圖片來源：http://www.daviddarling.info/encyclopedia/B/blackhole.html）；下：恆星級黑洞」竊取」伴星物質、物質發出光芒、黑洞兩極附近形成噴流的藝術想像（圖片來源：http://pics-about-space.com/stellar-black-hole?p=1）

至於成功的核坍縮型超新星，它們一定會先留下一個中子星。但是，要注意的是，即使是成功的超新星爆炸，噴發出物質之後，內層的一些物質還是會落到中心，如果落下的物質不多，中子星還會是中子星，如果落得物質太多，中子星就會很快超過質量極限，成為低質量黑洞。因此，成功的核坍縮型超新星的最終產物是中子星或者低質量黑洞。

失敗的超新星與引力波有著密切的關係。2015年9月14日探測到、2016年春公布的、人類歷史上第一次探測到的引力波 GW 150914，就來自於兩個黑洞併合瞬間及其前後的引力波輻射。這兩個黑洞的質量分別約為36個太陽質量與29個太陽質量。2015年12月26日探測到的第二例引力波 GW 151226，也來自於兩個大質量的黑洞的併合，這兩個黑洞的質量分別約為14個太陽質量與8個太陽質量。

兩個黑洞互相盤旋（Inspiral）、併合（Merger）與鈴宕（Ring-down）這三個過程都會發出強烈的引力波（圖片來源：LIGO團隊）

這兩對（四個）黑洞從何而來？答案是：它們很可能來自失敗的超新星。因為：首先，質量為8到30個太陽質量的黑洞，都很可能來自大質量恆星。其次，如果大質量恆星成功地爆發為超新星，就難以產生這麼8到30個太陽質量的黑洞，因為恆星的大部分物質成為超新星物質，吹散到太空中，只有一小部分物質落回中心，形成的是低質量黑洞；如果它們成為失敗的超新星，就有可能成為8到30個太陽質量的黑洞。因此這導致這兩次引力波探測的兩對（四個）黑洞都很可能來自失敗的超新星。

除了可以探測「黑洞-黑洞併合」產生的引力波外，LIGO 還可以探測那些「黑洞-中子星併合」、「中子星-中子星併合」形成的引力波。這些系統中，中子星源自成功的核坍縮型超新星爆發，黑洞則可能是成功的超新星爆發留下的較小質量黑洞，也可能是失敗的超新星留下的較大質量黑洞。