夜空中的絢麗爆炸：超新星爆發(fā)之謎

每當(dāng)我們仰望夜空時(shí)，常常驚嘆于它的浩瀚與靜謐，但實(shí)際上，在漆黑的夜空中，各種爆炸可能此起彼伏。其中最壯觀的就是大質(zhì)量恒星的死亡——超新星爆發(fā)。

要理解什么是超新星，還要從恒星的一生說起。

恒星是星際分子云在引力作用下坍縮形成的。星際介質(zhì)在坍縮過程中，當(dāng)中心的溫度和壓力高到一定程度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)核反應(yīng)，產(chǎn)生能量并發(fā)出光和熱，從而形成恒星。從本質(zhì)上講，我們可以把恒星看成是巨大的熱核聚變反應(yīng)工廠。一顆恒星以氫作為燃料，氫元素在恒星中心轉(zhuǎn)化為氦元素，釋放的能量透過星體輻射到宇宙空間中。然而，即便是恒星也無法永恒存在，恒星的內(nèi)核有朝一日會(huì)用盡它的核聚變?nèi)剂?，從而走向死亡。通常來說，小于8倍太陽質(zhì)量的恒星會(huì)演化成巨大疏松的紅巨星，它的外部包層以恒星為中心向外膨脹，形成絢麗的行星狀星云。此時(shí)如果恒星剩余部分的質(zhì)量小于太陽質(zhì)量的1.4倍，就會(huì)變成白矮星。而那些質(zhì)量非常大的恒星，則會(huì)以更絢爛的方式結(jié)束自己的生命。大質(zhì)量恒星消耗燃料的速度更快，所以壽命比低質(zhì)量恒星要短。當(dāng)一顆大于10倍太陽質(zhì)量的恒星燃燒耗盡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由鐵構(gòu)成的核心，當(dāng)這個(gè)核心的質(zhì)量超過1.4倍的太陽質(zhì)量時(shí)，就會(huì)開始坍縮，形成一個(gè)幾乎由中子構(gòu)成的致密核心。其核心會(huì)在自身引力的作用下迅速坍縮，這一過程中會(huì)釋放出巨大的能量，導(dǎo)致恒星發(fā)生劇烈的爆炸，這就是我們所說的超新星爆發(fā)。

在超新星爆發(fā)過程中，亮度會(huì)快速增強(qiáng)，達(dá)到峰值后逐漸降低，在幾周至幾個(gè)月內(nèi)保持較高亮度，直至退出人們的視線。超新星爆發(fā)時(shí)發(fā)出的輻射光線通?？梢远虝旱卣樟琳麄€(gè)星系，宛如宇宙中絢麗的“煙花”。它的亮度相當(dāng)于整個(gè)星系的亮度，甚至可以比整個(gè)星系亮很多倍，例如迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最亮的超新星SN2015 L，其最高光度相當(dāng)于5700億個(gè)太陽的光度，是銀河系的20倍。超新星爆發(fā)后一般存在兩種情況，一是恒星自身的物質(zhì)完全被拋散在星際空間，成為超新星遺跡；二是恒星的大部分質(zhì)量被拋射掉，遺留下來的部分物質(zhì)，坍縮為中子星或黑洞等致密天體，進(jìn)入恒星演化的終了階段。

關(guān)于超新星的類型，科學(xué)界根據(jù)光譜和光變曲線通常分為Ⅰ型超新星和Ⅱ型超新星，Ⅰ型超新星在光譜中缺乏氫線，Ⅱ型超新星的光譜中有明顯的氫線，其中Ⅰ型和Ⅱ型超新星又可以細(xì)分為Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc和Ⅱ- P、Ⅱ- L型超新星，具體差異大家可以參考以下圖表。

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就整個(gè)宇宙而言，超新星并不罕見，但對(duì)于單個(gè)星系來說，超新星非常稀有?？茖W(xué)家推測(cè)，在一個(gè)由1000億顆恒星組成的星系里，平均每?jī)扇倌昃蜁?huì)出現(xiàn)一顆超新星。而在我們的銀河系中，大多數(shù)超新星的爆發(fā)因?yàn)檠诓卦阢y河系懸臂的塵埃與氣體中，所以地球上的我們無法感知到。1987年，加拿大天文學(xué)家伊恩·謝爾頓在大麥哲倫星系中觀測(cè)到超新星1987A，大麥哲倫星系是離我們銀河系最近的星系，而這顆超新星是現(xiàn)代天文學(xué)家能夠詳細(xì)研究的第一顆超新星，也是現(xiàn)代科技觀測(cè)到的離我們最近的一顆超新星。

超新星爆發(fā)作為宇宙中最為壯觀的天體物理現(xiàn)象之一，不僅在視覺上令人震撼，在科學(xué)研究中也扮演著舉足輕重的角色。

超新星爆發(fā)過程中會(huì)釋放出大量的中微子。對(duì)超新星中微子的探測(cè)和研究有助于我們了解中微子的性質(zhì)，比如，在超新星1987A爆發(fā)時(shí)，多個(gè)中微子探測(cè)器探測(cè)到了來自該超新星的中微子，這為中微子物理研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

除此之外，有一種超新星還可以作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”來測(cè)量宇宙學(xué)尺度上的距離，那就是 Ia型超新星。Ia型超新星是白矮星吸積物質(zhì)達(dá)到錢德拉塞卡極限，也就是達(dá)到1.4倍太陽質(zhì)量的時(shí)候引發(fā)的粉碎性爆炸，所以它們釋放出來的能量幾乎都是一樣的。這就像一根蠟燭放在不同距離，離我們?cè)浇瓷先ゾ驮搅?，離我們?cè)竭h(yuǎn)，看上去就會(huì)暗一些。這樣我們可以通過觀測(cè)它的亮度來計(jì)算“蠟燭”距我們的距離。

超新星還有一個(gè)方面對(duì)我們至關(guān)重要，那就是生命元素的孕育。科學(xué)家推測(cè)，宇宙大爆炸產(chǎn)生了氫氦等輕元素，但沒有創(chuàng)造出重元素。那么我們地球上的這些重元素是從哪里來的呢？據(jù)推測(cè)，地球上的重元素一部分是在低質(zhì)量恒星演化末期向外拋射行星狀星云的過程中產(chǎn)生的，另外還有一大部分可能都是在超新星爆發(fā)的過程中產(chǎn)生的。比如，比鐵輕的元素都堆積在恒星的核聚變產(chǎn)物中，更重的元素，直到元素周期表末端的鈾，很多都是在超新星爆發(fā)的過程中產(chǎn)生的。所以超新星爆發(fā)對(duì)于生命元素的孕育也是至關(guān)重要的。

所以，超新星的前世今生是一個(gè)關(guān)于宇宙中最宏大事件的敘事，它揭示了恒星如何以其生命的終結(jié)為起點(diǎn)，孕育出新的宇宙結(jié)構(gòu)和元素，對(duì)宇宙星系的演化乃至生命的形成都有著深遠(yuǎn)的影響。

作者：星眾成光
審核：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 研究員 劉勇
出品：中國科協(xié)科普部
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