简介

        II型超新星产生于恒星的快速坍缩和剧烈爆炸。想要形成II型超新星，恒星的质量至少是太阳的8倍以上，但不超过太阳的40~50倍。II型超新星与其他类型超新星的区别在于它们的光谱中存在氢。它们通常在螺旋星系的旋臂和H II区观测到，但在椭圆星系中没有。因为椭圆星系中的恒星通常由较老的、质量较低的恒星组成，很少有质量非常大的恒星。

       恒星通过元素的核聚变产生能量。与太阳不同的是，大质量恒星拥有足够的质量来融合原子质量大于氢和氦的元素，尽管温度和压力越来越高，导致恒星寿命相应缩短。电子的简并压和这些聚变反应产生的能量足以抵消引力，防止恒星坍缩，维持恒星平衡。恒星不断融合质量更高的元素，从氢开始，然后是氦，在元素周期表中不断上升，直到产生铁和镍的核心。铁或镍的聚变不会产生净能量输出，因此不会发生进一步的聚变，使镍铁核心处于惰性状态。由于缺乏能量输出产生向外的热压，核心由于重力而收缩，直到恒星的覆盖重量可以在很大程度上由电子简并压支撑。

       当惰性核的压实质量超过钱德拉塞卡极限(质量=太阳的1.44倍)时，电子简并不再足以对抗引力压缩。灾难性的核内爆在几秒钟内发生。没有了现在内爆的内核的支持，外核在重力作用下向内坍缩，速度达到光速的23%，突然的压缩使内核的温度增加到1000亿开尔文。中子和中微子是通过反向衰变形成的，在10秒的爆发中释放约以1百载焦耳(10^46焦耳，凡大数之法，万万曰亿，万亿曰兆，万兆曰京，万京曰垓，万垓曰秭，万秭曰穰，万穰曰沟，万沟曰涧，万涧曰正，万正曰载，万载曰极。)。内核的坍缩被中子简并中止，导致内爆反弹并向外弹回。这种不断膨胀的激波的能量足以破坏上面的恒星物质，并将其加速到逃逸速度，形成超新星爆炸。激波和极高的温度和压力会迅速消散，但存在的时间足够长，足以在短时间内产生比铁更重的元素。根据恒星的初始质量，核心的残留物形成中子星或黑洞。由于潜在的机制，产生的超新星也被描述为核心坍缩超新星。

        II型超新星爆炸有几种类型，它们是根据爆炸后产生的光曲线(光度与时间的关系图)进行分类的。II-L型超新星在爆炸后显示出光曲线的稳定(线性)下降，而II-P型超新星在光曲线中显示出一段较慢的下降(平台期)，随后是正常的衰减。

铁心灾变

       比太阳质量大的恒星以复杂的方式演化。在恒星的核心，氢被聚变成氦，释放热能，加热恒星的核心，并提供向外的压力，支持恒星的层免于坍塌——这种情况被称为恒星或流体静力平衡。内核产生的氦在那里聚集。核心的温度还没有高到足以引起核聚变。最终，随着核心的氢被耗尽，聚变开始减缓，重力导致核心收缩。这种收缩将温度提高到足够高，从而允许更短的氦聚变阶段，产生碳和氧。

       当恒星在氦燃烧阶段结束时收缩时，恒星的核心直接产生所需的温度和压力，使核心中的碳开始融合。核心逐渐变得像洋葱一样分层，随着越来越重的原子核在中心聚集，最外层是氢，周围是一层氢聚变成的氦，周围是一层氦通过3α过程(三个氦4聚变为一个碳12)聚变成的碳，周围的层聚变成越来越重的元素。

       如果恒星的质量小于太阳的8倍，恒星的核心坍缩后逐渐冷却成为白矮星(碳氧白矮星或氧氖镁白矮星)。

       如果恒星质量足够大，可以在这一点之后继续聚变。

       随着恒星的演化，它经历了多次阶段，在这些阶段中，核心的聚变停止了，核心坍塌，直到压力和温度足够开始下一阶段的聚变，重新点燃以停止坍塌。

       限制这一过程的因素是核聚变释放的能量，这取决于将原子核结合在一起的结合能。每增加一步产生越来越重的原子核，聚变时释放的能量越来越少。此外，从碳燃烧开始，通过中微子产生的能量损失变得显著，导致比其他情况下更高的反应速率。这一过程一直持续到产生镍-56，在几个月的时间里，镍-56放射性衰变为钴-56，然后是铁-56。由于铁和镍在所有元素中每核子的结合能最高，因此核心不能通过聚变产生能量，因此镍-铁核心会增大。这个核心处于巨大的重力压力之下。由于没有核聚变来进一步提高恒星的温度以防止坍缩，它只能由电子的简并压来支撑。在这种状态下，物质是如此致密，进一步的压缩将需要电子占据相同的能量状态。然而，这对于相同的费米子粒子是禁止的，比如电子——这种现象被称为泡利不相容原理。

        当内核的质量超过钱德拉塞卡极限时，简并压力就无法再支撑它，灾难性的崩溃就会发生。核心的外部部分在向恒星中心坍缩时，速度可达70000公里/秒(光速的23%)。迅速缩小的核心加热，产生高能伽马射线，通过光分解将铁核分解成氦核和自由中子。随着核心密度的增加，它在能量上变得有利于电子和质子通过逆衰变合并，产生中子和被称为中微子的基本粒子。由于中微子很少与正常物质相互作用，它们可以从核心逃逸，带走能量，进一步加速坍缩，坍缩过程在毫秒级的时间尺度内进行。随着核心从恒星的外层分离，其中一些中微子被恒星的外层吸收，开始了超新星爆炸。

        对于II型超新星，坍缩最终由短程排斥性中子-中子相互作用终止，这种相互作用由强作用力和中子的简并压所介导，其密度与原子核相当。当坍缩停止时，落入的物质会反弹，产生向外传播的激波。爆炸产生的能量使核心内的重元素分离。这降低了震动的能量，从而使外核内的爆炸停止。

        核心坍缩阶段的密度和能量如此之大，以至于只有中微子能够逃脱。当质子和电子通过电子俘获结合形成中子时，电子中微子就产生了。在典型的II型超新星中，新形成的中子核的初始温度约为1000亿开尔文，是太阳核心温度的1万倍。为了形成一颗稳定的中子星，必须释放出大量的热能，否则中子就会“蒸发掉”。这是通过进一步释放中微子来完成的。这些“热”中微子形成各种口味的中微子-反中微子对，总数是电子捕获中微子的数倍。这两种中微子产生机制将坍缩的重力势能转化为10秒的中微子爆发，释放出大约1百载焦耳(10^46焦耳)。

       通过一个尚不清楚的过程，大约1%/1载焦耳(10^44焦耳)释放的能量(以中微子的形式)被停滞的激波重新吸收，产生了超新星爆炸。在SN 1987A中观测到由超新星产生的中微子，这使得天体物理学家得出结论，核心坍缩的图像基本上是正确的。基于水的神冈II和IMB仪器检测到热源的反中微子，而基于镓-71的巴克桑仪器检测到热源或电子捕获源的中微子(轻子数= 1)。

      当恒星的质量低于太阳的20倍(取决于爆炸的强度和掉落的物质数量)时，核心坍缩后的退化残余物就是中子星。在这个质量之上，残余物坍塌形成黑洞。这种类型的堆芯坍塌的理论极限质量约为太阳的40~50倍。超过这个质量的恒星被认为会直接坍缩成黑洞，而不会形成超新星爆炸，尽管超新星坍缩模型的不确定性使得这些极限的计算不确定。

理论模型

        粒子物理学的标准模型是一种理论，它描述了构成所有物质的基本粒子之间的四种已知基本相互作用中的三种。这个理论可以预测粒子在许多条件下如何相互作用。超新星中每个粒子的能量通常为1-150皮焦耳(数十到数百兆电子伏)。超新星中涉及的每个粒子的能量很小，以至于从粒子物理学的标准模型中得到的预测可能是基本正确的。但是高密度可能需要对标准模型进行修正。特别是，基于地球的粒子加速器可以产生比在超新星中发现的更高能量的粒子相互作用，但这些实验涉及单个粒子与单个粒子的相互作用，而且超新星内部的高密度很可能会产生新的影响。中微子和超新星中的其他粒子之间的相互作用发生在弱核力下，这被认为是很好的理解。然而，质子和中子之间的相互作用涉及到强核力，这是不太清楚的。

       II型超新星尚未解决的主要问题是，尚不清楚中微子的爆发如何将其能量转移到恒星的其余部分，从而产生导致恒星爆炸的激波。从上面的讨论中，只需要百分之一的能量被转移就能产生爆炸，但要解释这百分之一的能量转移是如何发生的已经被证明是极其困难的，即使所涉及的粒子相互作用被认为是很好的理解。在20世纪90年代，一个模型涉及到对流翻转，这表明对流，无论是来自下面的中微子，还是来自上面的物质，都完成了摧毁祖恒星的过程。比铁更重的元素是在这次爆炸中通过中子捕获形成的，中微子的压力压进“中微子球”的边界，在周围空间中散布一团气体和尘埃，这些气体和尘埃比恒星最初形成的物质含有更丰富的重元素。

       由标准模型建立的中微子物理学对于理解这一过程至关重要。另一个关键的研究领域是构成垂死恒星的等离子体的流体动力学;它在核心坍塌过程中的表现决定了冲击波形成的时间和方式，以及它何时和如何停止和重新激活。

       事实上，一些理论模型在失速激波中包含了一种流体动力不稳定性，称为“原地吸积激波不稳定性”(SASI)。这种不稳定性来自于使失速激波振荡从而使其变形的非球面扰动。SASI在计算机模拟中经常与中微子理论一起使用，以重新激活失速激波。

        计算机模型已经非常成功地计算了II型超新星在激波形成时的行为。通过忽略爆炸的第一秒，并假设爆炸已经开始，天体物理学家已经能够对超新星产生的元素和预期的超新星光变曲线做出详细的预测。

光变曲线

       当II型超新星的光谱被检查时，它通常显示出巴尔默吸收线——氢原子吸收能量的特征频率上的通量减少。这些线条的存在被用来区分这类超新星和I型超新星。

        当II型超新星的光度在一段时间内被绘制出来时，它会显示出一个特征的亮度上升到峰值，然后下降。这些光曲线的平均衰减速率为每天0.008等；比Ia型超新星的衰变速率低得多。II型根据光曲线的形状又细分为两类。II-L型超新星的光曲线显示出峰值亮度之后的稳定(线性)下降。相比之下，II-P型超新星的光曲线在衰退期间有一个独特的平坦延伸(称为平台);表示光度以较慢的速度衰减的一段时间。净光度衰减率较低，II-P型为0.0075等/天，II-L型为0.012等/天。

       在II-L型超新星的情况下，光曲线形状的差异被认为是由前身星的大部分氢包层被排出造成的。II-P型超新星的平台期是由于外层不透明度的改变。激波使外层的氢原子电离——从氢原子中剥离电子——导致不透明度显著增加。这就阻止了来自爆炸内部的光子逃逸。当氢气冷却到足以重新结合时，外层就会变得透明。

亚种

IIn型超新星

       “n”表示窄，表示光谱中存在窄或中等宽度的氢发射线。在中等宽度的情况下，爆炸喷出的物质可能与恒星周围的气体发生强烈的相互作用——恒星周围的介质。解释观测性质所需的估计恒星周围密度比标准恒星演化理论所预期的要高得多。一般认为，高的星周密度是由于IIn型前身星的高质量损失率。估计的质量损失率通常每年高于太阳质量的0.001倍。有迹象表明它们的前身星是蓝特超巨星，在爆炸前有巨大的质量损失。SN 1998S和SN 2005gl是IIn型超新星的例子；而被称为极超新星的SN 2006gy可能是另一个例子。

IIb型超新星

       IIb型超新星在初始光谱中有一条弱氢线，这就是它被归类为II型超新星的原因。然而，后来H发射变得无法检测，并且在光曲线中还有第二个峰。它的前身可能是一颗大质量恒星，它排出了大部分外层，或者由于与双星系统中的伴星相互作用而失去了大部分氢包层，留下了几乎完全由氦组成的核心。随着IIb型喷射物的膨胀，氢层迅速变得更加透明，并显示出更深的层。IIb型超新星的经典例子是SN 1987K与SN 1993J，而另一个例子是仙后座A。