罕见的超新星

罕见的超新星

1987年2月24日，国际天文学联合会向全世界的天文台站和观测机构发出电报和电传，通报了一则罕见的银河系外天体爆发现象，那就是在大麦哲伦云星系出现了一颗超新星。这颗超新星被命名为1987A。超新星是大质量恒星在晚年发生的崩溃、瓦解性的爆炸现象，一般质量较小的恒星并不以超新星爆发终了它的一生。

一、超新星现象

在晴空万里的夜晚，细心的朋友可能有时会在原先看不到星星的地方发现一颗新出现的星星在闪耀发光，人们最早时称它为新星。实际上它并不是一颗新出现的星，只是因为过去它太暗弱而不引人注意罢了。后来，天文学家把在短时间内亮度突然增大1万倍甚至100万倍的恒星称为新星；把亮度突然增加比新星强得多，光度能达到太阳光度的107～1010倍的星称之为超新星。

为了充分了解超新星，现代天文学家收集分析了大量的古代天文观测记录，尤其是我国丰富的历史资料，结果只确定了不足10个银河系内的历史超新星。天文学家们公认，公元1006年、1054年、1181年、1572和1604年诸年的中国古书中的“客星”记载，都是银河系中的超新星。离现在最近的两颗超新星，著名天文学家第谷和开普勒曾观测过，分别被称为“第谷新星”和“开普勒新星”。

超新星

据史料记载，1885年8月31日，有人观测到仙女座大星云中恒星的爆发，并认为是新星。直到1920年，天文学家才搞清楚仙女座大星云是银河系外的星系，其星光要经过200多万年才能传到地球。由此可算出1885年看到的那颗恒星爆发时，光度竟然是太阳的100亿倍，使人们大吃一惊！从此以后，人们才把这种光能量极其巨大的恒星爆发现象，称为超新星爆发。细心的天文学家们，还从20世纪20年代以前的天文照相底片中，陆续发现了13个河外星系超新星。随着巨型精良的天文望远镜的问世，天文学家开展了超新星照相巡天观测工作。从1885年至1987年2月底，人们一共发现了633个河外星系超新星。

据估计，每个星系平均近300年才有一颗超新星出现。我国古代天文观测者对观测记录超新星作出了杰出的贡献，表中列出的1054年出现的那颗著名的超新星，就是最突出的例子。《宋史》中记载：“宋至和元年五月乙丑客星出天关（即金牛座ζ星）东南，可数寸，岁余稍没。”《宋会要》一书中也有记载：“至和元年，伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。”著名美国天文学家哈勃于1928年根据金牛座“蟹状星云”的大小以及它约每秒900公里的膨胀速度，指出它就是中国史书上记载的那颗客星——超新星爆发后的遗迹。

二、恒星的爆炸

大质量的恒星在晚年为什么会爆炸？恒星是由什么物质组成？它又是靠什么东西“燃烧而发光”呢？这一系列的问题还需科学家进一步的调查研究才能得出结论。近代天文学家由光谱分析方法获悉，太阳上含有大量的氢元素，其次还有少量的氦、碳、氧、硅等60多种元素。1939年，美国著名物理学家贝特认为，太阳的能量来自于氢原子核聚变反应，它类似于氢弹爆炸。当4个氢原子核聚变为1个氦原子核时，可释放出巨大能量。实现热核聚变反应的条件是高温和高压。科学家们通过观测研究，由物理定律计算出太阳中心温度约为1500万度。也就是说，太阳是一座以氢原子核为燃料的核子炉！后来，人们把这一理论推广应用于恒星演化研究。在恒星演化过程中，其内部的热核反应是一个持续不断的过程。人们逐渐弄清楚在任何恒星中氦约占25%左右，其余的大多数是氢，而所有其他元素的总和才占总成分的1%～2%。一般说来，恒星先是以氢为燃料。恒星的核心部分——星核的氢燃料耗尽后，星核中心收缩释放的引力能使恒星的氢壳层燃烧，同时恒星外层向外膨胀。与此同时，星核的收缩还使这个“热核反应炉”升温，然后，氦开始燃烧，这时星核收缩停止。

氦燃烧的灰烬是碳和氧。在氦燃料耗尽时，星核又开始收缩。这时候的恒星有点像是两个套在一起的球壳——双燃烧壳源，一个是氢壳源，另一个是氦壳源。当星核收缩到一定程度，星核内的温度达到8亿度，碳开始燃烧。碳燃烧的主要灰烬是氧，氧燃烧之后是硅。前者燃烧所需的温度是20亿度，后者所需的温度是30亿度。

一颗恒星的爆炸

结合上面讲到的，我们不难发现，在核反应的每一个阶段，当一种核燃料耗尽时，恒星的中心部分缺少能量辐射便开始收缩，在收缩过程中可释放引力能，因而使星核内温度上升，最终把另一种核燃料点燃。恒星在晚年变得越来越不稳定，热核反应一轮接一轮地进行，热核反应的温度一轮比一轮高，反应的速率也进一步加快，最终导致整个恒星爆炸即超新星爆发现象。在理论上具体一点说来，如果氧和硅的燃烧都未能使星体爆炸，那么恒星内部最终就由铁原子核和电子简并气体组成一个密度极大的核心，这时所有的核燃料就都耗尽了。因为铁原子核的结合能最大，铁核是很稳定的核。此时的恒星已接近“死亡”，伴随恒星中心核反应的轮番进行，星核已被一个温度低得多的“幔”所包围，在幔的外面还包有一层氢和氦的外壳。星幔中的化学成分占优势的是氧、氮和氖等轻元素，这些是恒星爆炸所需要的潜在核燃料。这时候由于上层物质的重量已经不再能被下面的气体压力所支撑，恒星的所有外层便向着中心陷落——坍缩，并在此过程中迅速升温。当星核的密度接近每立方厘米3000万吨，而温度超过1000亿度时，核心将停止收缩，包层由于不再向恒星中心坍塌而迅速被加热，幔中的轻元素像“火药库”似的爆炸了。超新星爆发前，作为坍缩星的全部复杂的物理过程，仅仅是在异常短暂的、大约不到1秒的时间内发生的。

三、中微子

中微子，这种质量近乎为零的中性不带电粒子，竟然涉及到了宇宙演化问题，这在现代天文学研究中让人史料未及。中微子究竟有无质量呢？如果有，到底是多少？这是所有科学家们共同关心的问题。因为，从科学理论上来说，如果中微子确实具有质量的话，在数百亿年后，我们的宇宙将会由膨胀转化为收缩，即宇宙将经历一个由冷却而升温的阶段，最终将升到比现在的太阳温度还要高很多的高温状态，人类建立起来的文明均将被毁灭。几十年来，科学家们一直在千方百计地测量中微子的质量，但始终未得出明确的结果。

1987年，大麦哲伦云星系超新星爆发后，使关心一切中微子问题的科学家们兴奋起来了！因为，人们设在地球上的几台中微子探测器都探测到了来自超新星的中微子信号。前面提到，超新星爆发是由引力坍缩效应而引起的。恒星在坍缩过程中释放的引力能中至少99%被中微子带走，只有几乎不到1%转变成人们所观测到的能量形式。中微子在一般情况下几乎不与其他物质发生作用，然而在急剧坍缩的恒星核心附近，由于物质密度极高，大量的中微子形成一股高压的中微子“风”，这股携带着大量能量的中微子束在向外冲击时，必然对含有丰富铁原子核的外壳产生强大压力，并猛烈地推开它，继续外冲，冲出星核和整个星体，从而形成超新星爆炸，这时约有几个太阳质量的物质一齐被抛向星际空间。

超新星1987A发射的中微子先后被意大利、日本、美国和前苏联的中微子探测器探测到。这颗星距离地球大约16万光年。物理学家们说，如果中微子没有质量，那么它们将以光速飞行；如果中微子具有一定的、哪怕是微乎其微的静止质量，则它们将产生一定的时间延迟。如果人们能准确地知道一个天体的距离、中微子能量和延迟的时间，则可以利用一个公式计算出中微子静止时的质量来。原则上，若在实验室中探测到引力坍缩时释放出的引力波，到达地球时的信号和中微子信号之间的“时间差”数值，那么，就能由此估计出中微子质量来。遗憾的是，现在人们还没有这样高灵敏度的引力波探测器，当然也没有得到可信的信号。所以，至今中微子质量问题仍是一个谜，人们期望观测到下一次的超新星爆发，但那也许是一两百年后的事了。

来自1987A的中微子被地面探测器所接收到这件事，还意味着这样一个问题：中微子在长达16万光年的漫长路途中，并未衰变成别的粒子。在此之前有一种假说认为：太阳中微子在日地空间路途上衰变为某些别的粒子了，所以人们只探测到很少的中微子。然而，中微子从太阳到地球路上只需大约8分钟，如果中微子平均寿命是16万光年或者短一些，则不会有多少中微子损失在此途中的。这一情况正好否定了对“太阳中微子失踪之谜”的那种所谓“衰变假说”的理论。

科学家们正在建立更先进的全天运行的中微子探测器，这样能对超新星所产生的中微子进行系统的观测研究，这还有助于粒子物理学和天体物理学的协同研究。

四、超新星爆发

近年来有人推断，大约在6500万年前，有一颗距太阳系较近的银河系超新星爆发，其强烈的核辐射消灭了地球上大部分生命，恐龙自然也未能幸免。更为有趣的是，20世纪80年代一些天文学家的研究认为，超新星爆发是太阳系形成的外力。

1969年，科学家对坠落在墨西哥北部阿伦德村庄附近的一块陨石进行了研究，发现它含有碳及其球粒形的包体，亦称含碳质球粒陨石。1973年，美国一些科学家在阿伦德陨石中发现，氧－16同位素的含量比地球上氧－16的含量要高些，有些样品中氧－16的含量竟高到正常氧的5%。陨石是带有原始太阳系信息的珍贵的研究样品。

超新星爆炸

据现代太阳系演化学说认为，太阳系各天体是由一大团原始星云——称之为原始太阳星云，在凝聚过程中逐渐形成的。有人计算出，像太阳这么大的恒星，它的凝聚过程约需1000万年。人们对于阿伦德陨石中异常氧的现象分析解释为：在原始太阳星云附近，有一颗超新星爆发，在它爆发喷射的物质中，氧－16是其中之一。人们对从阿伦德陨石中发现的铝－26这种同位素研究中推算出，铝－26可能是在原始太阳星云开始凝聚前不久的一次超新星爆发时得到的。这次超新星爆发给原始太阳星云注入的“礼物”，不仅有氧－16和铝－26，还有硅、钙和钡等各种比较重的元素。因为它们在阿伦德陨石中的含量都有偏多的异常值。据此，推算出距今约45．5亿年左右，在原始太阳星云附近有一次超新星爆发。

大约在20世纪50年代就有人讨论过，诞生一颗新的恒星需要有一个压力作为启动，或称为第一推动，而超新星的冲击波可以起到这一作用。有人在研究某些陨石的碘和钚衰变产物时，推算出这两种放射性同位素可能是在太阳系形成1亿年前左右，从另一次超新星爆发注入原始太阳星云的。超新星爆发所喷出的大部分气体包围了原始太阳星云，并且把它压缩到超过临界密度时，它便开始缩聚。以后便逐渐地演化成今日的太阳及其行星系。

上述理论作为假说是否成立，至今尚无定论，因为寻找年代久远的超新星遗迹是非常困难的。超新星爆发是否为太阳系的“第一推动力”，这个秘密至今还是无法揭开。

五、超新星的命运

当超新星爆发时，会有一股速度为10000公里/秒的冲击波，紧跟其后的是破裂恒星的残碎物质。这些物质可形成一个膨胀的圆环，像是天空中的一个烟圈或气泡，这就是超新星遗迹。有些超新星遗迹呈破鱼网状或丝状、亮云等状，天文学家由光谱分析得知，纤维状结构的超新星遗迹仍在以一定的速度向星际空间膨胀。

恒星爆炸时也向恒星的内部施加强大的压力。如果恒星的残余物质不足1．44个太阳质量，它将会变成一颗体积小、密度大的暗淡的白矮星。“1．44个太阳质量”这个限度是美籍印度天文学家钱德拉塞卡提出来的，称为“钱德拉塞卡极限”。他的理论得到了大多数科学家的赞同，他因此荣获1983年的诺贝尔物理学奖。如果超新星爆发后的质量超过1．44个太阳质量，但小于3个太阳质量，则变成更暗而致密的星——中子星，这个质量极限是著名科学家奥本海默提出的。由于目前有关密度大于1015克/立方厘米的物质的物态方程尚不确定，所以中子星的质量上限尚未确定，一般认为它相当于两个太阳质量。

如果超新星爆发后，其核心的质量超过3个太阳质量，几乎没有任何力量能够阻止星核的进一步坍缩了，那么整个星核将被全部压碎，最终成为一种不发光的奇特的天体——黑洞。综上所述，一颗大约为8～10个太阳质量的恒星，经超新星爆发而毁灭为白矮星、中子星或者黑洞。至于其中的许多细节，乃至一些很关键性的问题，仍旧是迷雾重重，有待于后人去把它拨开。超新星是一种非常壮观的天象。在很短的时间内，恒星亮度突然剧增几千万甚至上亿倍，其亮度可和亿万颗恒星发光的总和相比，一次超新星爆发发出的光，等于太阳从诞生以来发光的总和。这种天象和新星现象相似，但发亮的规模比新星大得多，因此叫超新星。

超新星是一种罕见的天象，自从天文望远镜问世以来的300多年间，在银河系中从未观测到一次超新星。据天文学史专家的研究，认为历史上有可靠记录的超新星仅有7颗，其中最早的一次是公元185年半人马座超新星。1006年豺狼座超新星是最明亮的一颗，傍晚在天空，可与新月争辉。根据对我国、日本、朝鲜、阿拉伯和欧洲的史书记载分析，推断豺狼座超新星的亮度最亮时目视星等可达－9．5等。1054年金牛座超新星是被研究得最细致的超新星，全世界只有我国和日本有记载，其中我国的记载最为详细，因此被称为“中国新星”。我国宋史记述说：“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”估计它最亮时目视星等为－5等。

现代天文学理论指出，超新星是恒星演化到“死亡”阶段所发生的一种爆发形式，爆发结果使恒星瓦解，成为星云，或抛掉大部分质量，星核坍缩为中子星或黑洞，称为超新星遗迹。