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核心坍缩型超新星的相关物理过程及爆发机制的研究

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第一章超新星爆发相关理论综述

第二章恒星结构的基本方程及数值方法

第三章强磁场对恒星内部核反应率的影响

第四章电荷屏蔽对恒星内部弱相互作用率的修正

第五章内核心加速坍塌的超新星瞬时爆发的数值模拟

第六章本文研究结论与进一步的工作

附录

致谢

声明

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摘要

本工作对超新星前身星阶段的相关物理过程及对核心坍塌型的超新星瞬时爆发机制等问题进行了研究。 综述了与超新星爆发机制研究中的相关理论研究进展。介绍了各种不同质量的恒星演化进程中各个主要热核的点火条件，致密物质中自由电子系统的简并性对星体热核燃烧的主导作用以及爆炸性核燃烧条件；介绍了超新星的分类特征；重点评述了几种主要的超新星爆发机制及理论研究中存在的困难；指出弱相互作用在超新星爆发机制中的重要性；小结超新星前身星内部的β衰变、电子俘获、中微子俘获的研究进展和存在的困难。 讨论了超新星爆发理论研究中涉及相关理论及其数值处理方法。包括核统计平衡分析、弱相互作用、恒星基本结构方程、数值模拟差分方法、光滑质点流体动力学方法和“四粒子”模型的物态方程、电子俘获和β衰变过程的一般分析方法等；给出了超新星爆发模拟程序的基本框图及基本参数。 磁场的存在是恒星世界一个普遍特征，致密星的壳层，如中子星壳层，双星系统等尤其如此。本工作的研究表明，强磁场加剧了电子分布的量子效应，改变了电子和核子相互作用的相空间因子，结果表明：磁场对于非零温气体的作用较之零温气体的作用弱得多，足够强的磁场可以使较低温度下的电子俘获率降低几个量级，但就中子星表面存在的磁场强度范围，当密度不是很低时，不论是零温或是非零温条件下，磁场对电子俘获过程的影响都是很小的，本文指出在讨论中壳层中的电子俘获和热核反应时，磁场的影响是可以忽略的；但是强磁场(B>10<'12>)使β衰变率显著增大，由于中子星壳层存在强磁场，因此在分析中子星壳层的β衰时应考虑强磁场的作用和影响；同时指出，由于两个中子星合并是重元素通过快中子俘获进行核合成的重要天体物理场所，因此在计算双星系统中r-过程核合成最后的核产物时必须考虑强磁场的影响。 超新星的前身星环境处于高密等离子体状态，等离子体对弱相互作用有强电荷屏蔽作用，本工作对前身星环境下的电荷屏蔽对电子俘获和β衰变过程及超新星爆发能量的影响的进行了详细分析。对Gamow-Teller(GT)跃迁强度分布进行了高斯谱处理，本文的这种处理方法尽管精度不高，但在核子激发态能级参数难以获得的情形下，显得简单易于进行计算的优点；比较了等离子体强屏蔽和相对论简并电子流屏蔽势能分析方法对电子俘获过程的影响，指出在低温高密情形下，相对论简并电子流屏蔽对电子俘获反应的影响较等离子体强电荷屏蔽的影响程度略小。研究结果表明，强电荷屏蔽使得电子俘获反应率明显降低(包括矿衰变)10％～20％左右，相反使得β衰变率显著增加，甚至可以增加1-2个量级；电荷屏蔽降低了电子俘获率，延长了爆发时间，使中微子泄漏的总能量略增加，从而导致激波的能量相应降低。这个结论对超新星爆发机制的理论研究具有重要意义。 分析计算了在旋转和非旋转情况下电子俘获时标和流体动力学时标的差异，发现在形成激波前很短时间内电子俘获时标将小于流体动力学时标，指出这种差异在旋转的星体下更为明显。本文认为，这种差异会使内核心的相应区域加速塌缩，这种新图象会改变超新星内部压强状况，影响初生中子星半径。本文的研究表明：无论在坍缩、反弹或传播过程中，增加压强梯度对压强本身影响不大，但压强梯度增加会使瞬时爆发能量有很大的提高，爆发速度有显著增加，适当调整坍塌和反弹阶段的压强梯度可以使得瞬时爆发获得成功。针对超新星前身星模型WS15M⊙，本文数值模拟指出，由于在内核心区域考虑这种时标差异，初始中子星半径可以减小20％左右，这一结论对国际上新近提出的一种超新星爆发图象是有力的支持，这对于超新星爆发机制的理论研究具有非常重要的意义。 本工作的研究成果具有显著的创新性，本文的结论对超新星爆发机制的研究具有非常重大的意义。

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