超新星形成時，星核向內坍縮時，向外的衝擊波是怎麼形成的？

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有人形容像是壓一個氣球產生的爆炸，但還是沒想通這個爆炸的機制。
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關於超新星，根據光譜觀測中是否存在氫線，天文學上大致認為有兩種：I-型超新星（Type I，沒有氫線），II-型超新星（Type II，有氫線）。也有人認為，應該還有III / IV / V型，這是題外話，按下不表。相信光看名字，並不能讓人留下深刻印象，這主要怪罪於天文學家的文學素養低下（類似的名詞還有「黑洞」）。

但這些都不重要，重要的是題主的問題：星核向內坍縮時，向外的衝擊波是怎麼形成的？稱讚一下題主，你發現了問題的本質：有一類超新星事件，是由於星核向內坍縮造成的。在天體物理學家這邊，給它起了個同樣沒什麼文化的名字：「核心坍縮型超新星（Core-Collapse Supernova, CCSN）」。而一般來說，它就是天文學中的II-型超新星。

在下不才，舊觀念里認為Ia型超新星並沒有經歷「星核坍縮」的過程，作為核心的白矮星並沒有受到太大的壓縮，其爆發應歸功於失控的熱核聚變，即thermal runaway。因此，衝擊波是由核反應釋放的能量啟動，而非由星核反彈所致（非專業人員，細節請 @季索清指教）。相反，核心坍縮型超新星的爆發，則是與核心坍縮過程密不可分。但是，從坍縮到爆發的過程究竟如何則是一個十分艱難的問題，我並不能給你一個完整和自洽的描述，只能大概說說我知道的，其中的難點也將一併說明。

首先，天體物理基本認為，當一顆恆星的質量約是太陽質量的8-100倍時，它將以核心坍縮型超新星爆髮結束自己的壽命。這種事件的質量下限和上限都不是很明確，只能給個大概範圍，所以我們選擇一顆質量為20倍太陽質量的恆星繼續討論好了，討論中所有的核心坍縮型超新星將被統一稱為CCSN。

大質量恆星的演化（中文科普書上大概有描述）不是我所長，反正最簡單的模型認為，它在生命的終點會形成洋蔥一樣的結構：最核心是一個鐵核，外面依次是硅、氧、氖、碳、氦、氫組成的殼層，如下圖所示（取自維基百科詞條Supernova）。CCSN的研究第一個難點在於，爆發之前的恆星真的是這樣子嗎？首先，恆星不一定是球型，起碼它會旋轉。但它也不一定就是軸對稱的。恆星的形狀將直接影響後續的動力學演化（最新的研究參見Sean M. Couch et al. 2015 ApJ808 L21），而幾乎所有的CCSN模擬，都是在球對稱恆星基礎上開始的[1]。這一點既是理論上無法克服（3維的流體力學方程沒有普遍適用的解法），也是在實踐上無法克服（3維的模擬太耗計算機資源，貴）。不管怎樣，讓我們接著走下去。

當鐵核心再也無法通過聚變釋放能量維持穩態結構時，星核坍塌開始了。在模擬中，星核的坍塌信號是各殼層的物質都開始向核心運動（1維模型，比如Kepler）。對於20倍太陽質量的恆星，它一生最輝煌的時刻從此開始。以下內容將根據H.-Th. Janka等人的文章 Theory of Core-Collapse Supernovae (免費文章在此：http://arxiv.org/abs/astro-ph/0612072）進行講解。

首先，在坍縮開始大概0.1秒後，鐵核最核心的一部分在引力和外層壓力下強烈收縮，原子核開始和電子結合，同時各種核反應迅速啟動，將這部分區域迅速轉變成比鐵更重的原子核[2]。因為電子倍吸收，電子兼并壓開始減小，不足以抵抗引力，從而加速坍縮過程。原子核俘獲了電子要放出一個電子中微子，但由於此時核心密度比較高（達到大約 $10^{12} ext{~g/cm}^3$ 左右），中微子也會被原子核不斷散射，從而受限無法溢出（Neutrino Trapping）。但是仍有部分在稍微靠外區域釋放中微子能夠逃逸出去。研究這裡的難點在於，如此極端情況下的核物理性質是很難預測的，相應的核反應速率也無法確切得知。同時，中微子的輸運行為在3維模型中處理起來也很困難。這些問題主要是源於我們對核力性質和強關聯多體動力學知識的匱乏。

隨著星核的進一步收縮，最核心的區域開始轉變成由核力支配的強子系統——核物質（Nuclear matter）。核物質非常難進一步被壓縮，是因為此時抵抗引力的是宇宙中耦合強度最大的相互作用。核物質的形成將坍縮過程減速，然後實現反彈（形象理解，稍微靠外的物質仍然在引力場中高速陷落，在碰到核物質部分後發生劇烈反彈，就如同乒乓球碰到水泥地板之後反彈一樣）。這些反彈的物質將引力勢能向外傳遞，形成了激波（Shock）。詳細研究的難點仍然在於核物質的性質難以捉摸。

激波進一步向外傳遞，向外噴射的物質與向內陷落的物質相撞，將動能轉換為熱能，創造出一個極高溫和極緻密的環境。在這種環境中，激波的能量將鐵原子核分解成自由的質子和中子。自由的質子相對於之前已吸收大量電子而形成的豐中子（neutron-rich）原子核更易吸收電子，從而再次加速整個星核的坍縮，同時放出大量的中微子。此時，最難以回答的問題來了：CCSN爆發了嗎？如果激波在分解完原子核之後，仍然有足夠的能量向外傳遞，並最終將外面的殼層拋射出去，那這將是一次成功的超新星爆發。這種直接由激波誘發的超新星爆發機制被稱為「prompt shock」。但是從最早在上世紀80年代提出以來，這種機制已被證明是不可行的。激波的能量基本都在分解原子核的過程中損失掉，結果就是坍縮過程繼續無法阻擋地壓縮整個星核。在中文世界裡，基本上所有的書在簡介超新星爆發機制的時候，都是這種方式，但很遺憾，並不對。

但是，天文上確實觀測到了II型超新星爆發事件，而且也看到了它們在中心留下的緻密脈衝星體（有些超新星事件沒有觀測到中心緻密星體）。而CCSN是解釋此種現象最為簡單直接的模型。為了讓CCSN爆發，我們或許需要重新審視一個重要但被我們遺漏的對象：中微子。事實上，超新星釋放的能量99%都是由中微子帶走的，常規物質的動能只是剩下的1%。作為宇宙中最為激烈的爆發性事件之一，超新星卻是由宇宙中耦合強度最小的弱相互作用支配的。核心區域由於密度下降，釋放出大量中微子。這些極強的中微子流將和原子核相互作用，將自身的動能傳遞給強子物質，從而再次驅動物質的向外運動。這種機制被稱為「delayed neutrino-heating mechanism」。但是，這是真的嗎？我不知道，學術界仍然無法在模擬中成功實現超新星爆發（除了一種質量極低的CCSN）。在幾乎所有的模擬中，即便在一定程度上考慮中微子的能量供給，仍然無法讓激波復甦，這種能量傳遞機制並不如人們想像的高效。

那麼，怎麼解決這個問題呢？星體不一定是球型的，激波的傳播也不一定是簡單的球面波，中微子的輸運過程也很複雜，核物質的狀態方程更是很不準確（no offense to Nuclear guys），甚至連描述整個星體的流體力學過程都無法完全描述。更難的地方在於，這些問題甚至不是一個個單獨的難題，它們互相關聯，牽一髮而動全身。

目前的研究（好吧，我孤陋寡聞，只聽說過來自美國、德國和日本的研究工作）表明，不對稱的超新星在爆發時會經歷複雜的流體力學過程，比如說著名的Standing accretion shock instability (SASI)。這些過程能讓物質在星核附近停留並震蕩，從而讓中微子有更長的時間「加熱」，傳遞更多的能量。但是，這樣就行了嗎，把所有的因素考慮進來就能讓CCSN爆發了嗎？不知道，這個工作非常難，模擬的難度非常大甚至接近於不可能。保守估計，將流體力學和中微子輸運結合在一起，等於處理一個六維繫統，還幾乎不存在任何對稱性。當然也有可能，就像Heger上課時跟我們說的，也許目前所有的因素都不能讓大質量恆星爆發，最終它將以一種意想不到的機制結束自己生命。

[1] 詳細說來，幾乎都是在物理學家K. Nomoto和A. Heger的恆星模型基礎上進行的。
[2] 原子核統計平衡（NSE）區域。

08/21/2015更新：

關於星體的不穩定性的更詳細的描述，見：如果說核聚變不可控，那麼太陽的聚變如何自我控制？ - 知乎用戶的回答
更新超新星爆發模擬視頻：Visualizations

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01/26/2015更新：
這裡貼上幾張雙星模型描述下超新星爆發的數值模擬圖像（知乎不支持gif），後兩張可以看見向外的衝擊波。這裡畫出來的是物質密度，時間尺度是幾百秒；文章見這裡：http://arxiv.org/abs/1501.05645。這個工作主要意義在於，這是第一例在雙星模型描述下自洽的超新星爆發的模擬。

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Type Ia超新星爆發產生的激波本質上是由恆星中心的熱核反應產生的。在前身星中心的壓強和溫度達到一定程度，碳氧核中的核反應產能大於中微子逃逸耗能，那麼總的能量就會出現不可控的增加（thermal runaway），從而觸發不可控的核反應。這種核反應產生的重型元素也是宇宙中重型元素的唯一來源。

核反應產生的大量能量引起了Type Ia超新星的爆發，具體表現為攜帶大量動能的衝擊波。有一個經典的Sedov解，描述的就是大量能量注入引發衝擊波的過程：Blast wave

要使前期恆星中心的壓強和溫度達到thermal runaway的程度，不同模型給出的機制也不盡相同。對於Type Ia超新星，無論是單星模型中的單個白矮星吸積伴星物質還是雙星模型的兩個白矮星融合，最終都是總質量超過1.4太陽質量，簡併壓無法平衡引力從而導致前身星向內坍縮，從而導致中心溫度和壓強的升高。但單星模型還是雙星模型到底哪一個正確，學術界還莫衷一是。

對於Type II超新星由於其前身星的質量高達數十太陽質量，僅憑藉引力坍縮轉化的動能就可能產生激波（另一種假說是坍縮過程和抵制坍縮的核熱輻射壓此消彼長，形成了振動的內核從而產生了激波）；但這種激波的能量尚不足以形成超新星的爆發。那麼爆發所需的能量從哪裡來，目前正在研究中。

這些過程可以通過數值模擬進行研究。比如Type Ia超新星的單星模型，在這個網頁的第一行提供了數值模擬的爆炸影像：Flash Center for Computational Science（如果被牆了請通知我……）。對於雙星模型，其爆炸的模擬是我現在在進行的一個課題，由於還沒有發表所以不方便上圖或者影像；如果發表了一定會貼出來~

簡單的說就是反彈。

恆星內部塌縮下去，在一個有限的體積內聚集足夠的密度，處於簡併狀態。這個時候就不能再進一步壓縮物質了，形成一個核。

外層的物質繼續塌縮下落，撞到內層不可壓縮的核上，形成巨大的衝擊波。由於無法繼續下落，必然發生反彈。反彈出去的就是向外的衝擊波。

超新星可能的爆發機制有很多種，比如雙星系統中白矮星吸積伴星的物質，超過質量的臨界點就會爆發；或者單個大質量恆星(也要超過一定質量)演化到晚期，自引力坍縮也能爆發。看描述應該是說核坍縮型超新星，簡單的理解是最裡面的部分達到中子簡併態，密度很大，外面還沒簡併的氣體在重力作用下沖向這層堅固的「牆壁」，又被反彈回來，這就是向外的衝擊波。期待高手給出更具體的回答。

以碳-氧白矮星到Ia型超新星為例
當吸積後質量達到Chandrasekhar極限（約1.44倍太陽質量）
電子簡併力開始堅持不住
無法維持電子簡併態
於是白矮星開始了持續坍縮
內部溫度和密度也持續增加
會在核心發生碳引爆
發生極度劇烈的碳核反應
只需要十秒不到的時間就連鎖可以釋放出高達43～44次方數量級的能量
其他答主提到了Sedov解，描述了能量和衝擊波的機制
Blast wave
一方面，這種激波的能量規模決定了它無法被外部物質所攔截。
而另一方面，在白矮星的核心，已經是中子簡併態，無法穿透。
所以，激波只會在核心部分密度極高處發生反彈，最終還是被推了出去。
推出的激波會從核心核反應區往外，撕碎外部物質並狠狠拋向更外

速度甚至可以達到大約0.03-0.1c

由於能量極高，此時絕對星等甚至達到-19.3，亮度大約太陽的5億倍
甚至可以照亮星系

我更傾向於捏橡皮泥這個比喻，噴出來的就像從指頭縫裡擠出來的橡皮泥。
明天上張圖

恆星內部主要依靠核聚變產生能量對抗恆星本身萬有引力來維持穩定：能量釋放形成的向外的擴張力與恆星萬有引力制衡。恆星越大所需要的能量越多，消耗氫就越快。然後形成的氦繼續聚變形成碳原子和氧原子，聚變程度取決於恆星的質量。隨著恆星內核中質量堆積，引力越來越大，核聚變原料變少，當核聚變的能量和遊離電子之間的「簡併"提供的力無法抗拒萬有引力時，恆星會突然坍縮，速度達到45000英里每秒以上，內核溫度迅速提升。氣體在萬有引力作用下，接近光速砸向內核，此過程會有「反彈效應」，進入的部分氣體反旋向上，從內核中吹出。而內核里電子和質子擠壓產生中微子，中微子穿過稠密氣體時部分被吸收，氣體獲得巨大能量，從而產生巨大爆炸，產生了X光，伽馬射線，紫外線，氣體再次吸收熱量，溫度升至幾百萬度。

簡單說：反彈，反覆反彈，像乒乓球落到地上那樣彈彈彈。
星體內部聚變燃燒後，無法產生足夠的熱來抵消外圍物質的重力，於是壓縮。但星體內部是分層的，更內部的核由於早就塌縮過，在這一輪塌縮中，它就可以看做堅硬的不可再被壓縮的「地板」。外圍物質撞上去就會反彈起來，彈到一定高度又掉下去，這樣不停地彈，形成往外的衝擊波。
當乒乓球最終靜止在地面，內部由於新的壓力結構，可能又會發生更進一步的核聚變，當然也有可能停留在緻密星的某個階段，這主要是由最初的質量決定的。

謝邀。
翻了一下感覺其他答案已經說的很清楚了，我就再用通俗些的語言補充一點前因後果方面的。
一個能達到超新星爆發噸級的恆星在早期演化的過程中隨著核聚變反應會產生越來越重的元素，因為萬有引力的關係會沉積到恆星中心，從最早的氫到氦到碳到鋰越來越重。從開始的一個純氣體天體變成了固體核心然後一個龐大的大氣層。
然後恆星就會像個洋蔥一樣不同重量的元素一層一層的，內核質量越來越大，在這種情況下內核的引力會隨著質量上升一同增加最後坍縮。
動畫中經常見到很重的機甲或者巨人走在地面上塌下一個坑之類的，你可以想像一個過於重的漂浮於太空中的球向內部這樣壓的場景。恆心的內核能量無法抵禦萬有引力的收縮傾向就會飛速的坍縮，坍縮的時候密度上升，會加速坍縮的過程。所以一旦開始坍縮就是一個加速的非常快的過程。溫度上升密度上升，在這個過程中如上述幾個答案一樣氣體會受到巨大引力牽引砸向內核然後【反彈】並獲取大量來自於內核中的能量，從而產生巨大的爆炸。
在這之後恆星有可能進一步坍縮甚至可能往複，之後的路線就有多種可能了，主要與恆星的總質量有關。

強大的壓力把原本在核外的自由電子都壓到了原子核里使質子變成了中子，伴隨著放出巨大的核能。

這和恆星質量大小關有，當恆星到晚期塌陷時，內部能量加大，溫度上升。如果恆星引力不夠強（這和質量大小相關），則會爆炸開形成超新星。如果引力夠強，則會使原子塌陷，形成白矮星、中子星、黑洞之類的超大密度天體。

向外的衝擊波不是「星核向內坍縮時」產生的,而是「星核停止向內坍縮的瞬間」產生的.
停止坍縮是因為中心物質的密度達到了中子簡併態,坍縮過程遇到了核力屏障,發生強烈的物質撞擊而向外反轉.也可能是因為內核質量過大,直接擊碎了簡併中子屏障而坍縮成黑洞,後續物質繼續落入黑洞的過程中釋放出的強烈輻射壓超過了引力壓力.
還有一個機制可能形成向外的衝擊波,即恆星內核中子化過程中放出的中微子脈衝.

超新星不是海賊王嗎。。

一個不恰當的比喻跳動的心臟。

原來的輕核聚變燃料減少，托不住其外圍物質-恆星在引力作用下，向中心墜落-核心區域壓力驟然增大-更高級的核反應開啟-轟的一聲爆炸-體積膨脹-反應停止-收縮- 就這樣。
太陽也會經歷這個過程變成紅巨星。體積膨脹到地球之外

動量守恆

恆星表面的氫，因為塌陷而遇到極度熾熱的內核，又因為氫是非常好的燃料，極好的燃料碰上了極好的高溫，瞬間就爆炸了。

應該可以認為，高速向恆星中心"下落"的物質，忽然撞上了一大坨"無比接近鋼體"的東西，然後就彈起來了我覺得是這樣的…

簡單的理解就是當內核被壓縮到不能再壓縮時，這時候也是極度的高溫高壓，必然的結果就是爆發了。