为什么超新星爆发是先被仪器观测到，再过很久肉眼才能看见？难道说光速还有不一样的吗？ 第1页

先简单说一下结论：超新星爆发与我们熟知的普通爆炸不同，它不会在爆炸瞬间达到最大亮度，而是在爆炸初期比较暗淡，之后逐渐变亮，需要十几天到几十天才出现亮度峰值。所以即使单纯依赖可见光来观察，超新星也应该先被望远镜发现，然后才被肉眼看见。

但是，需要注意的是，达到亮度峰值的时间是在10天的数量级，而绝不是年的数量级，正如 @减紫 的解答，三年的说法纯属谣言。

从表一可以看到，超新星亮度峰值，最短的是在12天之后，最长的超过50天。

超新星爆发的这一现象可能会让许多人困惑：我们通常所知的爆炸（鞭炮、炸弹、核武器……）都是在瞬间完成的，在起爆瞬间亮度就到达峰值，然后迅速衰减。超新星爆发与普通爆炸为什么如此的不同？

其实在超新星爆发中，释放巨大能量的爆炸反应，也是瞬间完成的，它通常只持续几秒钟。

那么它的亮度为什么不是在爆炸的瞬间达到峰值呢？

这是因为超新星爆发过程中，绝大部分能量并不是以光（电磁辐射）的形式释放的，或者说，超新星爆发中的爆炸反应本身是（几乎）不发光的。我们所看见的超新星的巨大可见光辐射，其实是爆炸之后的后续过程中产生的。

要理解上面这段话，需要先详细了解一下超新星爆发的具体机制。

超新星爆发通常有两类模式：核心坍缩和热失控。

核心坍缩是指，大质量的恒星在其寿命终了的时候，其内核因为无法再支撑重力而发生坍缩。

大质量恒星在内核的氢燃料耗尽之后，会相继发生氦的聚变（形成碳）以及更重元素的聚变，直到内核变成铁为止。由于铁的聚变是吸热的，进一步的聚变无法自持因而实际上不会发生。

在内核的核聚变停止后，不再有聚变能量输出，因而内核无法通过热压力来平衡重力，唯一能抵抗核心收缩的只有电子简并压力。当内核的质量变得越来越大，终于在突破一个极限（钱德拉塞卡极限）之后，电子简并压力也无法支撑其重量，内核将以大约70000公里/秒的速度向内崩塌，在此过程中，质子经过电子吸收过程（β衰变的逆过程）转化为中子，同时释放中微子（电中微子）。由于中微子只参与弱相互作用和引力相互作用，它们不参与强相互作用和电磁相互作用，因此中微子难以被普通物质阻挡，它们将毫无障碍地四散逃逸，此过程大约持续几毫秒。

坍缩最终会被中子之间的短距强相互作用斥力——中子简并压力所阻止。这样形成的中子内核（中子星，有些过大的核心坍缩型超新星其内核会成为黑洞）温度高达一千亿度，如此高温的中子将通过发射中微子（热中微子）来降温。在超新星爆发中，热中微子发射大约持续10秒，释放的中微子数量是电中微子的数倍。

总之，在核心坍缩型超新星中，将发生持续约10秒的“中微子爆炸”，这些中微子带走了超新星爆发几乎所有的能量，其中大约99%的中微子将无障碍地释放到太空中。

在内核之外的恒星外壳将被炸裂。内核坍缩的能量如何炸裂外壳，其原理尚未研究清楚。目前主流的观点是，在辐射出来的中微子中，将有约1%的能量通过某些机制转移到外壳并导致外壳爆炸。

外壳爆炸过程中，外壳物质将在冲击波的挤压下发生进一步的核反应，其中一些反应将形成比铁更重的元素，例如金、钨、铅、铀等等。这期间，将有一些镍-56形成，加上外壳原先通过恒星正常核聚变形成的镍-56，典型的核心坍缩型超新星将抛出相当于1%~1倍太阳质量的镍-56。注意上面这句话，后面将进一步详细讨论。

热失控型超新星，即Ⅰa型超新星。

Ⅰa型超新星的前身是一颗大质量碳氧白矮星。因为质量不够大，其核心的温度和压力尚不足以启动碳和氧的进一步聚变。

但是，如果这样一颗白矮星通过某种机制吸收了更多物质（例如，它可能有一颗非常靠近的伴星，当伴星变成红巨星时，外壳将膨胀至白矮星的附近，这样白矮星就可以从伴星吸积物质），那么它的质量将会继续增加，其内核的温度和压力也会升高。当白矮星的质量达到钱德拉塞卡极限的99%左右时，其内核的温度和压力就足以启动碳的聚变。

通常的物质，例如气体、等离子体，都具备热胀冷缩的特性。正常恒星在进行核聚变的时候，如果反应速度过快，释放的过多热量会导致温度上升，于是体积膨胀，体积膨胀又导致温度下降，核聚变速度对温度高度敏感，温度下降会降低聚变速度。这是一种负反馈的调节机制，它能使恒星在正常聚变阶段大体上平稳地“燃烧”。

但白矮星是简并态物质，它靠电子简并压力支撑，而简并压力与温度无关，因此白矮星不具备热胀冷缩的特性。当白矮星内部的碳聚变重新启动的时候，聚变释放的能量使白矮星内部温度急剧升高，因为没有热胀冷缩机制的调节，即白矮星无法通过热膨胀来降温，所以核聚变的速度在越来越高的温度下也就越来越快，而越来越快的核反应又导致进一步的升温……这种失控的正反馈最终将带来灾难性的后果：在几秒钟之内，整个白矮星都聚变成了重元素，释放的能量使整个星球的每个粒子都获得了巨大的动能，其速度远远超过星球的逃逸速度（每秒5000-20000公里），于是在一瞬间整个星球就被炸得粉身碎骨，连渣渣都不剩（没有中子星，也没有黑洞）。

Ⅰa型超新星爆发的时候，将有大量重元素被合成，其中包含许多比铁更重的元素，而合成这些元素的过程会吸收能量。Ⅰa型超新星释放能量的主要方式是：1、组成星球的所有粒子均获得大量的动能并炸碎整个星球；2、形成大量比铁更重的元素。

在Ⅰa型超新星爆发的过程中，通常会产生大约0.4~0.8倍太阳质量的镍-56。可见，虽然Ⅰa型超新星爆发的总能量通常只有核心坍缩型超新星的1.5%，但多数情况下，它们会抛出更多的镍-56。

前面分析了两类不同的超新星的能量释放机制，它们都与电磁辐射无关。那么，我们看到的明亮的超新星爆发，其发光原理是什么呢？

在讨论这个问题之前，让我们先了解一下核聚变，尤其是比硅重的元素的聚变。

核聚变并不会按照元素周期表依次聚变，即1号元素氢聚变为2号元素氦后，下一个元素并不是3号的锂，而是6号元素碳，也就是说，许多元素被跳过了。

当聚变反应到硅之后，更重的元素合成主要靠一种被称为“氦核作用”的过程进行。具体步骤如下：

硅-28 → 硫-32 → 氩-36 → 钙-40 → 钛-44 → 铬-48 → 铁-52 → 镍-56

注意，我们通常说铁-56是放热的核聚变的终点，因为它是能量最低最稳定的核。但是，铁-56在核聚变反应链条上根本不会发生，它被跳过了。

前面一再提到的镍-56，才是自然发生的核聚变终点。

然而镍-56并非稳定的同位素，它会以6.075天的半衰期，通过 衰变方式（正电子发射）成为钴-56，而钴-56同样是不稳定的，它以77.233天的半衰期，同样以方式衰变为稳定的铁-56。

衰变会发射一个正电子，它是一种反物质，当它遇到普通的电子时将发生湮灭，并辐射γ射线。这就是超新星爆发中的电磁辐射的主要来源。

当然，γ射线是肉眼不可见的，但既然是电磁辐射，它就不会像中微子那样“性冷淡”，它会热烈“拥抱”普通物质——当γ射线穿透被炸飞的普通物质时，一部分光子被吸收，普通物质则被加热至高温，并因高温而辐射出可见光、紫外线、红外线……这就是超新星爆发中可见光的产生机制。

前面提到，Ⅰa型超新星通常会释放更多的镍-56，所以，尽管其爆炸总能量比核心坍缩型超新星低得多，却往往更明亮。

镍-56和钴-56的半衰期则可以很好地解释为什么超新星爆发后，会有那么长的一段明亮时期。

从图一可以看出，由镍-56衰变造成的辐射强而持续时间短，由钴-56衰变造成的辐射相对较弱但持续时间较长，这与它们的半衰期是吻合的。

当超新星刚爆发的时候，被抛出的物质温度更高，其辐射更多地集中在短波段（X射线、紫外线和极紫外线），这些物质随着膨胀而温度降低，辐射峰值波长逐渐移至可见光波段。这可以解释为何在爆炸初期可见光辐射并不那么强。

【【【评论区有人提出：（依据黑体辐射的普朗克公式）温度降低辐射峰移至可见光，但温度降低也会导致总辐射降低，可见光辐射的绝对强度也是下降的。

其实这是对普朗克公式的误用。普朗克公式如下：

其中表征辐射能力的物理量为辐射率 ，它的定义为：在单位时间内从单位表面积和单位立体角内以单位频率间隔或单位波长间隔辐射出的能量。

注意辐射率是一个和表面积相关的物理量。当黑体的温度下降时，单位表面积的辐射确实会减弱，但在超新星爆发的情形下，温度下降是伴随着爆发抛出气体体积膨胀和（辐射）表面积扩大的，所以辐射的总功率并不会因为温度的降低而下降。

当辐射总功率不变，辐射峰值波长移向长波段（可见光）时，可见光波段的总光通量会增加。】】】

另外，超新星爆发过程中，外壳的物质在不同的温度和密度下，对可见光的透明度是会发生变化的，这也会对超新星的亮度变化曲线造成显著的影响，并导致不同类型的超新星爆发光度变化曲线的显著差异。

图二是II型超新星的光度变化曲线，可以看出，II-P型超新星光度衰减过程中有一个平台，这就是由氢的透明度变化造成的影响。

总结：

1、超新星爆发的绝大部分能量不以电磁辐射的形式释放。核心坍缩型超新星主要通过中微子释放能量，而Ia型超新星主要以动能和重核聚变的方式释放能量。也就是说，在爆炸发生的时候，超新星本身是几乎不可见的。

2、超新星爆发的电磁辐射来源于后续的反应：爆炸时形成的镍-56通过两次衰变成为铁-56，其间发射的正电子与电子湮灭，形成γ射线辐射；γ射线加热了普通物质，产生热辐射，其中包含可见光。

3、在超新星爆发的初期，电磁辐射能量绝大部分集中在短波段，主要是γ射线；随着爆炸残骸的膨胀降温，辐射峰值向长波段移动，这导致可见光的能量占比增加；伴随着辐射区域的表面积增加，可见光的总辐射功率也随之增加，于是我们得以看见越来越亮的超新星。

4、镍-56和钴-56的几天到几十天的半衰期，以及被抛射物质的透明度变化，共同导致可见光辐射到达峰值后，会经历长达几十天的缓慢衰减。

一道思考题：

如果两颗中子星合并形成黑洞，这个过程是否会发生爆炸？是否会发射可见光从而被肉眼看见？