27章超级爆发：星系辉煌的秘密

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第27章超级爆发我们身体中的大多数元素，由超新星爆发制造出来辉煌的缔造者一个像银河系这样的星系有几千亿颗恒星，然而使星系显得辉煌灿烂的，只是其中极少一部分大质量恒星，尤其是明亮的蓝色、蓝白色超巨星，这些恒星占的比例不到总数的1％，但如果没有它们，星系将黯然失色。

第27章　超级爆发

我们身体中的大多数元素，由超新星爆发制造出来

辉煌的缔造者

一个像银河系这样的星系有几千亿颗恒星，然而使星系显得辉煌灿烂的，只是其中极少一部分大质量恒星，尤其是明亮的蓝色、蓝白色超巨星，这些恒星占的比例不到总数的1％，但如果没有它们，星系将黯然失色。大质量恒星的作用当然不仅仅是照亮星系，在创造重元素的过程中更是居功至伟，它们效率极高，用的时间短得多，生产的元素品种却多得多。

太阳其实也是恒星中的佼佼者，它的质量超过了银河系90％的恒星，可是在天文学家眼里，它只能算是一颗普通恒星。恒星质量大小是按核反应的级别划分的，像太阳这样的恒星，甚至再大一些的恒星，中央聚变反应能够一直平稳地进行下去，直到核心成为一个以碳为主的核。恒星演化到末期，先是膨胀为一颗红色的巨星，然后再把外围的气体推开去，成为一个行星状星云，最后星云消散开去，碳核显露出来，成为一颗白矮星。这样恒星的一生，虽然也算辉煌，却相对平静，甚至有些平淡无奇。与之相比，极少数大质量恒星的一生可谓是惊天动地。

猛烈的核聚变

初始质量超过8.5倍太阳的恒星才是真正的大质量恒星，它们是恒星中的巨鲸，其燃烧过程极为惊心动魄。核聚变同样是从核心区的氢元素开始，由于核燃料充足，燃烧得极为猛烈，发出蓝色或者蓝白色的火焰。

由于总质量很大，核心温度足够高，核聚变反应可以一直推进下去，先是氢聚变成氦，紧接着是氦聚变成碳，然后是碳聚变成氧……同时，核聚变逐渐向外层推进，在多个层次同时进行。此时的恒星就像一个洋葱：氢在最外层燃烧，氦在较深一层燃烧，碳在更深一层燃烧，氖又在更深一层燃烧，氧又在更深一层燃烧，最后是硅和硫在恒星核心中燃烧。核聚变的炉火越烧越旺，越烧越快，恒星成为宇宙太空极为明亮的超级巨星。

恒星的质量越大，核反应推进得越快，寿命就越短。一颗质量为太阳25倍的恒星，氢燃烧持续的时间是700万年，氦燃烧的时间是50万年，碳燃烧的时间是600年，氧燃烧是1个月，硅燃烧只能持续1天，然后末日来临。

最后的瞬间

恒星核心聚变出的最终元素是原子量为56的铁和镍，这时候热核反应达到了极致，核心温度达到40亿度。铁和镍不能往下聚变了，它们的聚变不能产生热量，反而会吸收热量，于是核聚变戛然而止。

在核心的极高温度下，光子以很高的能量穿入铁镍原子核中，使恒星辛苦一生锻造的铁镍原子核瞬间碎裂为质子和中子，带正电的质子又被电子高速碰撞并结合在一起变成中子，恒星核心最终变成了一个巨大的中子核。

这过程会释放出大量的中微子。中微子是一种很微小而不带电的中性粒子，穿透力极强，能够以接近光的速度轻松从恒星核心逃逸出去。中微子的逃逸带走了大量能量，使得内部压力骤然降低，星核迅速塌缩，这称为暴缩。同时，外层物质以超过每秒4万公里的速度塌缩下来，猛烈撞击中子核并极速反弹，与正在下落的物质猛烈碰撞，形成强大的冲击波，一瞬间，恒星被炸成齑粉，能量的狂飙扫过天宇，成为无比壮烈无比辉煌的超新星，这是Ⅱ型超新星爆发。

Ⅱ型超新星与氧等元素的制造

Ⅱ型超新星爆发时，由铁构成的星体较里边部分变成中子星或黑洞，所以这部分物质永远不能进入星际空间。但是，恒星包层里比铁轻的多种元素则能自由进入太空，尤其是包层中有大量的氧，因此，一个大质量恒星爆发能够生产出大量的氧。由于恒星核心聚变产生的铁镍核最后都碎裂为中子，因此这种超新星爆发只能制造出少量的铁，还是在爆发过程中制造的。

1987年大麦哲伦星系爆发的超新星，给这个星系提供了大约1.6个太阳质量（53万个地球质量）的氧和仅仅0.075个太阳质量（2.5万个地球质量）的铁。

由于大质量恒星只能存活几百万年，所以在大爆炸约5亿年后，宇宙开始诞生第一批恒星之时，几乎立即就爆发了大量这类超新星，它们迅速把氧元素布散到星系中。因此，即使再古老的恒星，也有很高的氧含量，天文学家找不到只含有氢和氦两种大爆炸元素的原初恒星。

氧能迅速进入星系，这一点在1992年得到生动的证明。这一年，天文学家观测了猎户座星云中的新生恒星。这些星的年龄差别只有800万岁，但最年轻恒星的氧比最年老恒星多40％，说明仅仅800万年的时间内，就有大量超新星爆发，给猎户座星云制造了大量的氧。

大质量恒星的核聚变到铁为止，但比铁重的元素还有几十种，它们大多是在超新星爆发的短暂瞬间制造出来的。超新星爆发时，核心有中子流快速辐射出来，轰击星球外围的原子核，使得原子核聚变增大，轰击持续进行，聚变就会在极短时间内一直推进到底，于是造就了金、银、铂等各种各样的重元素。

Ia型超新星与铁等元素的制造

铁在宇宙中含量很丰富，Ⅱ型超新星却只能生产出少量的铁，大多数铁原子来自另一类被称为Ia型的超新星，就是白矮星质量超过钱德拉塞卡极限时的大爆发。

白矮星的质量上限是1.44倍太阳。观测到的白矮星很多，平均质量仅0.55～0.60倍太阳质量，远低于极限。但如果一颗白矮星绕另一颗恒星运动，二者形成密近双星，白矮星的引力就能从后者身上抓取物质，使自身质量增加，最终逼近钱德拉塞卡极限，引发碳元素的失控核聚变，形成Ia型超新星。

白矮星失控核反应的最后产品是铁，这些铁原子可以自由进入星系，残存的星骸没有能力抓住它们。一颗Ia型超新星可以生产出大约0.6倍太阳质量的铁，这对于只有1.44太阳质量的恒星来说极为可观，相当于为太空造就了一个20万个地球重的铁矿。爆发也释放了白矮星中的一部分氧，数量仅约4万多个地球重。

历史上的著名超新星

像银河系这样庞大的星系，大约一个世纪会爆发一次超新星，人类历史上记载下来的有6颗，其中有3次是Ia型超新星。

超新星1006

公元1006年5月1日，位于半人马座旁边的豺狼座方向爆发一颗超新星，这是有史以来人们记录到的视亮度最高的超新星。豺狼座在南半球，从北半球中纬度地区看去，超新星出现在南方很低的天空，每晚出现的时间只有四五个小时，但其奇异的亮度还是引起了全世界关注的目光，它的光芒超过了全天最亮星—金星。法国一个修道院的僧侣这样写道：“在南方天空隐秘的边界，它看起来似乎一成不变地存在了3个月，超越了天空中能看见的所有星。”

宋朝天文官周克明，为此从广东回到开封，在5月30日向宋神宗报告这颗黄色明亮大星。占星书上记载有一种祥瑞的“周伯星”，“其色金黄，其光煌煌”，“所见之国，太平而昌”，出现在豺狼座的这颗新星符合周伯星的所有特点。周克明奏报说，这颗明亮的新星会给国家带来吉祥好运，群臣也都随声附和，然而大臣张知白却对皇帝说，国家的运气和周伯星的出现没有什么关系，国君修养德行顺应天意才是要旨。宋神宗认为张知白忠诚正直，升任他为右司谏。

SN1006超新星被认为是一颗Ia型超新星。它形成的气体云遗迹距离地球7200光年，尺度已达60光年，目前仍以每小时约1千万公里的速度四散膨胀着。

超新星1572

1572年11月11日，仙后座爆发了一颗超新星，第谷详尽地把它记录下来：

晚饭前……当我边走边注意天空的时候……我突然直接看到了头顶上的一颗星，它一闪而过的光芒刺激了我的眼睛。出于惊奇或者麻木，我呆呆地站在那儿，让我的眼睛凝视那里很长一段时间，注意到这颗星靠近古老的仙后座。当我满意地告诉自己之前没有人看到这样的星星的时候，我开始被这难以置信的事实迷惑，我开始怀疑自己的眼睛。我转向陪同我的佣人，我问他们是否也看到了这颗星……他们马上异口同声地说他们完全看到了它，而且它很亮……我仍然对这件事的传奇性感到迷惑，我询问了一些恰巧乘着马车通过这里的人是否也看到了这颗星。事实上他们都大声地说他们看到了那颗巨大的星星，之前没有人注意到它。

第谷超新星也被认为是一颗Ia型超新星，其遗迹距离地球12000光年。天文学家们在遗迹中心附近发现了一颗极高速度运行的恒星，它就是当初围绕那个白矮星运行的伴星。当时这两颗恒星相距只有日地距离的1/15，如此距离的超新星爆发，只是剥离了伴星身上的一小部分物质，这说明恒星本身是相当顽强的，不会轻易被毁灭，不过它因为受到了巨大的冲击力，运行速度大大加快。

第谷超新星遗迹中存在一个弓形激波，它是超新星爆发的强大冲击力剥离其伴星物质形成的。激波后面还有一个暗区，这是超新星冲击波爆发而来时，由于星体阻挡而形成的屏障区。上面这张图模拟了超新星爆发和弓形激波的形成原理，弓形激波证明了Ia型超新星模型的可信度。

超新星1604

1604年10月9日，蛇夫座方向爆发了一颗超新星。开普勒对它进行了详细观察，直到该超新星1606年彻底消失。开普勒还写了一本名为《蛇夫座足部的新星》的书，巨细无遗地记录此事，这颗超新星因此又称为开普勒超新星。

开普勒超新星的遗迹距地球约13000光年。天文学家在整个电磁波段探测了这个不断扩张的超新星遗迹，确信该超新星也是一颗Ia型超新星，因为在超新星遗迹里发现了大量铁元素，符合Ia型超新星理论模型的预言。

开普勒超新星是人类肉眼看到的时间上最近的一颗银河系超新星，从那时起直到现在，银河系再也没有记录到肉眼可见的超新星。按照概率，下一颗银河系超新星随时有可能出现在天空。

现代人亲眼目睹的超新星

1987年2月23日夜，加拿大天文学家谢尔顿正在智利安第斯山上的拉斯坎珀纳斯天文台工作，他的智利籍夜间助手在户外走了一会儿，漫不经心地瞭望黑暗的夜空。由于熟悉星空，他很快注意到一件不寻常的事：在大麦哲伦云边上出现了一颗星，大约相当于北极星的亮度。这让他大为惊讶，因为那个位置本没有星星！他很快意识到，那是一颗刚刚爆发的超新星！消息闪电般传遍整个世界，这是现代人肉眼看到的第一颗超新星，也是自1604开普勒超新星以来第一颗肉眼可见的超新星，但它不在银河系内，而是在邻近的大麦哲伦星系内，它被称为超新星1987A。

目视发现超新星之后几个小时，澳大利亚天文学家已经在大麦哲伦云的上百亿颗恒星中证认出哪一颗恒星发生了爆发，那是一颗蓝色超巨星，质量约是太阳的20倍，光度相当于10万个太阳。

超新星1987A遗迹有着奇异的环状结构：两个大而暗淡的外环，一个明亮的内环，它们都是爆发之前的恒星形成的。虽然超新星早已变暗，但气体内环却越来越明亮，如同一串灿烂夺目的钻石项链。这是因为超新星的激波撞击到了内环，激发气体发光所致。未来激波将穿越内环，抵达外环，那时候外环也将渐渐明亮起来。

凤凰涅槃，死而新生。一颗大质量恒星的死亡形成了光耀寰宇的超级爆发，大大地丰富了宇宙的重元素，为宇宙生命的诞生奠定了基础。除此之外，它们通常会还制造出宇宙中最为奇异而不可思议的天体—中子星或者黑洞。

27章超级爆发：星系辉煌的秘密

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