不稳定对超新星:超大质量恒星完全爆炸不留残余物

说到超新星爆发,一般指的是一颗大质量恒星在生命末期因为燃料耗尽,从而导致的恒星爆炸,超新星爆发以后往往会留下一颗恒星残骸——中子星黑洞

但是在宇宙中,有一类超新星爆发则不会留下恒星残骸,而是彻底的爆炸,整个恒星物质都化为星云。这类超新星爆炸就是——不稳定对超新星(Pair-instability supernova)。

不稳定对超新星爆炸后不会留下中子星或黑洞,而是被彻底炸毁
不稳定对超新星爆炸后不会留下中子星或黑洞,而是被彻底炸毁

能够产生不稳定对超新星的恒星不是一般性的恒星,通常需要这些恒星的质量范围达到130~250个太阳质量,这几乎是现在宇宙中恒星的质量上限,而且这类恒星还需要拥有比较低的金属丰度。这类恒星通常可见于宇宙早期的第三星族星,也就是宇宙最早诞生的那一批恒星。

那么不稳定对超新星是如何将自身给炸没的呢?

因为不稳定对超新星的恒星都是宇宙中质量最大的一类恒星,所以这些恒星内部的温度非常非常高,可以达到3亿℃,这么高的温度使得恒星内部核聚变产生的光子拥有极高的能量,以极高能级伽马射线形式存在。

当恒星产生了这些极高能伽马射线的光子以后,它们就会想要逃离恒星核心,从而产生一个向外的压力,这个压力能够抵消恒星向内的引力。正是这种微妙的平衡维持着恒星的稳定。

不稳定对超新星内部会形成粒子对,它能够储存核聚变的能量
不稳定对超新星内部会形成粒子对,它能够储存核聚变的能量

但是拥有极高能量的伽马射线也能够和恒星内部的原子核、电子相互作用,其中有一种相互作用是形成粒子对,最常见的就是“电子-正电子对”。这些粒子对可以彼此相遇并湮灭成纯能量,再次产生伽马射线。

所以在这种超大质量恒星内部,核聚变不断地产生高温和极高能量的光子,这些光子又会和原子核、电子相互作用,从而不断地产生电子对,然后电子对又在不断的相遇湮灭从伽马射线。在这个过程中出现的中间产物电子-正电子对成为了储存恒星核聚变能量的“储存器”。

但是很明显,这种动态平衡其实是很不稳定的。随着恒星不断的燃烧内部的氢元素,恒星会收缩核心,从而提升内部温度,进而使得能量的产生速度更快,进而会发射更多的伽马射线。这也意味着存储进电子-正电子对中的能量越来越多。

结果就是某一天,恒星核心彻底失控,光子的压力抵抗不了恒星引力,从而使得恒星核心快速收缩,在这个过程中,引力加上存储在电子-正电子对中的能量瞬间爆发,只需要几秒钟整个恒星核心就被燃烧殆尽,从而产生猛烈的热核爆炸。也正是因为粒子对的不稳定性,所以这种爆炸才被称为不稳定对超新星。

不稳定对超新星的爆发能够形成大量的重元素
不稳定对超新星的爆发能够形成大量的重元素

这种爆炸的能量是如此之大,以至于整个恒星都会被彻底炸飞,形成不稳定对超新星,并且在爆炸之后还不会有黑洞、中子星之类的恒星残余物留下来。

在这个超新星爆发的过程中,不稳定对超新星除了能够在几秒钟就释放出巨量的能量外,恒星核心中相当一部分的物质会被转化为镍56元素,这是一种放射性同位素,半衰期只有6.1天,之后它会衰变成钴56,而钴56的半衰期也只有77天,只有它会进一步被衰变成稳定的铁56。

根据一项研究表明,一颗质量是太阳质量130~250倍的超大质量恒星,经过不稳定对超新星爆发后,大约会有40个太阳质量的恒星物质最终会形成铁56元素,几乎是这颗恒星核心的全部质量。

虽然不稳定对超新星不会留下中子星或黑洞,但是它产生的巨量的铁元素和其他重元素,会随着爆炸抛撒到宇宙空间中,最终可能会形成更多的星球。

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