恒星晚年绚烂爆发 肇造黑洞以及各种重元素
宇宙中的“超级巨星”

http://www.thebeijingnews.com 来源:新京报

 
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超新星爆发之后，向外喷射出γ射线以及其他物质的示意图。 
 
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哈勃望远镜在2004年拍摄的仙后座A，第谷在1572年观测到它，当时它比金星还亮。 
 
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超新星有多亮？图中左下角的超新星SN 1994D，亮度足以与附近的NGC 4526星系一较高下。 
 
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蟹状星云是一个超新星遗迹，源于1054年天关客星爆炸。该事件见载于《宋会要辑稿》。
 
 
参宿四在15年内变暗15%。这个奇怪的现象让科学家们猜测，它可能会在一个较短（其实对人类来说很长）的时间内变成一颗超新星。那么，什么是超新星呢？简单来说，超新星就是宇宙当中的“super star”。

1 太空悲剧大爆炸

超新星爆发非常亮，其瞬间亮度经常能超过整个星系的亮度总和，在几周或几个月后从人们的视线中消失。在这个短暂的爆发周期中，超新星所释放出的能量，比太阳在其整个生命周期中所释放出的还要多。这种大爆炸会让恒星中的大量物质以1/10光速的速度向外扩散，冲击波会激荡周围所有的物质。冲击波裹挟爆发前就已经在超新星周围的气体外壳和灰烬，让它们也加速向外扩散。

天文学家推测，有好几种机制都可能激发超新星爆炸，其中包括突然加大内部能源供应，也包括突然停止内部能源供应。

红巨星即将走完自己辉煌一生的时候，它内部的核能快要燃烧殆尽，产生的热量已经不足以维持它庞大的体积，其主要的物质可能因为巨大的引力而发生坍缩。在坍缩的过程中，引力势能会转化成巨大的热能，把星体外围的物质向外推。这个过程就像一出悲剧，在它的核心瞬间发出巨大的热，让它的其他部分快速远离，并同时发出强烈的光。

在这样的爆发发生之前，红巨星的外部开始发生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球。火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。一些天文学家认为，我们现在看到的参宿四，正是这样的。

第二种情况则是一个白矮星不断吸收周围物质，让它的内核温度和密度不断上升，以致引爆碳燃烧过程。在几秒钟之内，白矮星内部的一部分物质会发生核聚变，释放巨大的能量而引起超新星爆发。

当然，超新星爆发还有其他几种可能的机制。超新星的“超”字可不是白给的。中科院高能物理所研究员谭有恒说，超新星和新星的区别在于爆发能量的显著不同，前者是后者的几万倍，所以前者突然增加的亮度也是后者的很多倍。两者的机制也完全不同，新星的爆发不像超新星那么激烈，最终也不会造成一颗恒星的灭亡。

2 形成奇怪密星体

超新星爆炸让恒星死亡了，那么爆炸之后会留下些什么呢？答案是中子星和黑洞。

在红巨星坍缩过程中，恒星物质中的电子并入质子转化成中子。星体剩余的物质形成一个直径大约只有十余千米的球。组成这个球的物质，密度超大,1立方厘米的物质便可重达10亿吨，火柴盒大小的物质，需要96000个火车头才能拉动。中子星虽然很小且不发光，但它可不是冷的哟。天文学家估计，中子星的表面温度就可以达到1000万度，中心能达到60亿度，而太阳表面温度6000摄氏度都不到。

中子星还有一个奇怪的性质，它可以发出像时钟一样准确的脉冲。1967年，天文学家偶然接收到一种奇怪的电波。这种电波每隔1至2秒发射一次，就像人的脉搏跳动一样。人们曾一度把它当成是外星人的呼叫，轰动一时。后来，英国科学家休伊什（Antony Hewish）终于弄清了这种奇怪的电波的来由。原来，中子星的旋转速度极快，磁场又极强，所以会因为电磁转化而向外发出电波。由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人在眨眼。

中子星是宇宙中密度第二大的星体———名列榜首的当然就是大名鼎鼎的黑洞了。超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的两三倍，那它将继续坍缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的“奇点”，并从人们的视线中消失。围绕着这个奇点的是一个“无法返回”的区域。这个区域的边界被称为“视野”或“事件地平”，而区域的半径则叫做“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。谭有恒说，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞。一些科学家怀疑银河系中心就是一个黑洞。黑洞虽然“黑”，但并非完全不能被探测到，比如当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，并发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才会以这种方式发射χ射线和γ射线。

3 穿金戴银全靠它

超新星爆发后，向外发射很多“宇宙线”。谭有恒说，宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子，它的组成包括太阳系中所有的各种原子核。在超新星爆发后，粒子会经电场加速、磁场加速，后来又有冲击波加速，把它的速度加速到接近光速，形成高能宇宙线。

那么，宇宙线打在人身上会产生什么作用呢？谭有恒说，它们打在身上会有一系列作用，太多就会把人杀死，而微量的宇宙线却能够帮助人体产生营养物质。那么，超新星爆发会对地球环境产生影响吗？谭有恒表示，完全不用担心这种问题。超新星喷发出的宇宙线大多是沿着它的旋转轴心方向。大多数情况下，这个轴并不指向地球。而且超新星大多离我们很远，由于宇宙中存在着大量的物质和磁场，这些高能粒子在运动的过程中会偏转，正好打到地球的数量并不会太多。而进入太阳系之后，太阳的磁场，也就是所谓“太阳风”会把它们“吹”走。地球的磁场也会使它们偏转。最终，大气层还能降低它们的能量。和太阳射线对我们的影响相比，超新星爆发对人类的影响将是微乎其微的。

不过，超新星爆发却给我们带来另一种重要影响，那就是产生重元素。多数科学家认为，宇宙初期的大爆炸形成了氦、锂等轻元素，之后它们通过聚变形成更重的元素。在所有元素中，比铁轻的元素都能够通过聚变释放能量，而重于铁的元素的形成过程则需要吸收大量能量。所以聚变形成的最重元素就是铁。科学家一般认为比铁更重的元素都是由超新星爆炸形成的。所以，如果没有重金属元素，也就不会有金首饰和钨丝灯泡，也不会有核反应堆了。如果电视购物的推销员知道了这一点，他们聒噪的宣传过程或许会变得有趣一些：“现在，你可以把来自百亿年前的辉煌佩戴在自己胸前！”或者“天呐！为了这串项链，一颗恒星都爆了呀！”

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超新星发现史

古代中国人将新星和超新星叫做“客星”。历史上最早的一次新星记录出现在春秋时期。最早的超新星记录大概要属《后汉书·天文志》中的记载了。这颗超新星在公元185年12月7日出现，到公元187年七八月间才消失，总共持续了大约一年半。

最令人瞩目的超新星要属《宋会要辑稿》中记载的1054年出现在天关星附近的那一颗。后来，人们在这个位置上发现了蟹状星云。1921年，天文学家推算它的年龄只有1000多年。人们很自然就会推想蟹状星云可能是1054年超新星爆发所射出的外部物质扩散形成的。谭有恒说：“我们老祖宗发现了蟹状星云超新星，现在那个口还开着，放出宇宙线”。

2008年，天文学家发现了278颗超新星。不过，其中大部分都要借助望远镜才能看到。用肉眼能够观察到的只有6颗。1987年2月23日，天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗超新星，这是自1604年以来第一颗用肉眼能看到的超新星。如果参宿四爆发的话，我们也能用肉眼观察到它。除此之外，天文学家们认为，位于船底座的海山二（150倍太阳质量，7500光年左右）、位于天蝎座的大火（15倍太阳质量，600光年）、位于室女座的角宿一（260光年）等著名恒星都排列在这张超新星等待表上。

新知专题采写/本报记者 刘铮 本专题感谢：谭有恒（中科院高能物理所研究员）