每一秒都有恆星在死去，死法還都不一樣

本文來自《環球科學》，未經授權謝絕轉載。

每年都有成千上萬的恆星以各種匪夷所思的爆炸結束自己的生命，天文學家想了解導致這些恆星毀滅的真正原因。

撰文?丹尼爾 · 卡森（Daniel Kasen）?

翻譯?李文雄?

審校?王曉鋒

在我們可觀測到的宇宙中，幾乎每一秒都有一個太陽在恆星災變過程中毀滅。這些過程包括恆星的脈動、恆星間的碰撞、恆星坍縮成一個黑洞或者以超新星的形式爆炸。宇宙中這些激烈的活動長久以來一直被看似平靜的夜空所掩蓋，不久前才成為天文學關注的焦點。在近一個世紀的歲月中，科學家孜孜不倦地探索宇宙數十億年的演化歷程，但直至最近我們才得以在天甚至小時的時間尺度上分析天體事件，從而見證恆星變化無常的生死歷程。

儘管在過去我們缺乏詳細研究這些現象的工具，但關於宇宙中暫現天體的記載至少可以追溯到一千多年前。中國北宋的觀測記錄顯示，1006年天空中出現了一顆「客星」，肉眼可見時間長達數周，此後慢慢變暗。1572年，偉大的天文學家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）也記錄下了類似的事件。約30年後，約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）也觀測到了此類事件。我們現在知道，這些歷史記錄中的異常天象其實就是恆星的超新星爆發。超新星在最亮時，光度可以超過太陽的10億倍以上，但由於到我們的距離過於遙遠，它們在我們看來僅僅是微弱的光點，很容易淹沒在浩瀚的夜空中。

現代技術正在革新關於動態宇宙的研究。望遠鏡已經可以自動運行並且配備了高解析度的數碼相機，產生的觀測數據再交給計算機圖像處理和模式識別軟體進行分析。這些設備定期監控著廣大的天區，能夠敏銳地發現其中任何突然變亮的天體。在過去大概十年間，這些新技術使得天文學家每年發現成千上萬的恆星爆發事件，這意味著每周我們新發現的超新星數量都相當於20世紀的總和。

我們不僅發現了更多的超新星，還發現了不可思議的新種類超新星。有些超新星異常明亮，比普通超新星亮100倍；還有一些亮度卻僅有普通類型的1%。有一些是深紅色的；有一些則主要輻射紫外線。有一些可以維持高亮度長達數年；有的卻在幾天中曇花一現。由此可見，恆星死亡方式的多樣性要遠遠超出我們之前的認識。

天文學家仍在追尋導致這些奇怪恆星爆發事件的原因。顯然，這些爆發現象正在為我們提供重要的線索，幫我們了解恆星的生死歷程並研究最極端的溫度、密度和引力條件下的物理學。通過研究各種各樣的超新星，我們希望最終可以了解是什麼使得恆星瓦解並轉變為像黑洞這樣的恆星遺骸。

超新星也可以在一定程度上幫我們認識自己的起源。宇宙在大爆炸之後幾乎僅包含氫和氦這兩種最輕的原子。根據現有理論，我們遇到的任何較重的元素，如骨頭中的鈣、血液中的鐵等，都是由超新星製造並釋放到宇宙空間中的。科學家過去認為，所有最重的元素都是由普通超新星產生的。但現在，他們發現了太多不正常的超新星，這表明元素周期表不同區域的元素可能有著不同的起源。通過觀測大量各種類型的超新星爆發，我們可以逐漸了解構成地球和所有生命的元素是怎樣製造出來的。

恆星災變

要領會新發現的一些超新星有多麼奇特，讓我們先看看本身就很奇妙的典型超新星。一顆恆星就是一台穩定的核反應堆：一團大質量的等離子體被引力束縛在一起，高壓緻密的核心通過核聚變為等離子體提供能量。核聚變產生的熱提供向外的輻射壓力，與向內的引力相抗衡。超新星爆發表示二者的平衡被打破了——引力遠遠超過了核反應的輻射壓力，或者反過來，輻射壓力超過了引力。

最典型的超新星爆發出現在中等大小的恆星身上，它們的質量是太陽的10倍或更多。它們在數百萬年的生命中，不斷地通過核聚變將氫變為重元素。一旦將核心燃燒成了鐵（對於核反應來說是無法燃燒的灰燼），聚變就無法持續了。失去了向外的壓力，恆星的內核在引力的拉扯下向內坍縮，體積減小到此前的百萬分之一，成為了叫做中子星的超高密度天體，在直徑僅幾千米的範圍內容納了質量超過1個太陽的物質。這個自由落體過程中釋放的巨大能量會將恆星的其餘部分炸碎。

為了對典型超新星爆發產生的能量有一個直觀認識，想像一下我們的太陽在幾秒鐘內將足夠使用超過100億年的氫元素完全燒光。有一個專門用於計量這種巨大能量的物理單位：1貝特（以諾貝爾獎獲得者，美國天體物理學家、核物理學家漢斯· 貝特命名）。當一顆超新星爆發時，其內部溫度上升至超過28億攝氏度，會激發超音速的衝擊波，所過之處留下一堆剛剛經聚變產生的重元素，如硅、鈣、鐵，還有鎳、鈷和鈦的放射性同位素。在幾分鐘之內，恆星土崩瓦解，成為由灰燼和放射性殘骸組成的雲團，以每小時3200萬千米的速度向外擴散，相當於光速的百分之幾。

幸運的是，我們的太陽因為太小所以永遠不會成為超新星，但如果它成為了超新星，地球接收到的第一個信號將是足以毀滅這個行星上所有生命的短暫而強烈的X射線閃光。在幾分鐘之內太陽殘骸雲團的大小會變成太陽此前的兩倍，亮度則會增加近1000倍。幾個小時後太陽的殘骸雲就會吞噬地球，一天以後木星和木星也會遭此厄運。幾周之後太陽的灰燼就會遍布整個太陽系。到那時候，太陽的殘骸雲將會變得透明，束縛在其中的光傾瀉而出，亮度在頂峰的時候可達到太陽的10億倍，之後慢慢變暗。

天文學家幾乎從來沒有觀測到超新星的X射線暴，而且我們也很難從歷史數據中找到超新星前身恆星的圖像。正常情況下我們看到的僅僅是爆炸的餘波：膨脹中的巨大雲團和持續數周可見的放射性殘骸。通過觀測這些灰燼，我們試圖推理出爆炸之前的恆星是什麼類型以及它是如何被摧毀的。

亮得不可思議

在最近發現的奇怪超新星家族的成員中，最引人注目的也許是那些能量最高的爆炸——我稱之為超亮超新星（ultranovae），它們的亮度是正常超新星的100倍以上，是目前發現的最亮、最遠的超新星，幾乎在整個可觀測宇宙中都可看見。這種事件是極為罕見的，可能1000次超新星爆發中只有1個這樣的例子。天文學家現在還沒有確定無疑的證據來解釋這些爆發為什麼這麼亮。但他們提出了三個主要的理論。可能其中的某個理論可以解釋大多數甚至所有我們看到的超亮超新星，但更可能的是，三種物理圖景都有一定的發生概率。

「粒子對」超新星?自然而然地，很多研究者嘗試尋找超亮超新星與極大質量恆星的聯繫。理論表明，非常大的恆星的確是相當脆弱的，容易受到各種不穩定性的影響。尤其是150~200倍太陽質量的恆星，它們的核心會變得非常熱，從而會產生一批正反物質粒子對（即電子和正電子）。產生這些粒子需要消耗能量，這會減小恆星向外的壓強，使得仍有核燃料可用的核心向內坍縮。這樣的後果是災難性的。核心向內坍縮會加速核聚變過程，使其失去控制，把幾乎所有的東西都燒光。大約100貝特的能量瞬間釋放出來，會讓坍縮過程反轉，把恆星徹底爆開，最後任何物質都不會剩下。

這些最猛烈的核爆炸會產生殘骸雲團，其中的放射性物質比普通超新星的殘骸多1000倍。因為這些雲團理應質量極大且很不透明，所以光在其中要花一年甚至更長的時間才能逐漸擴散開。因此，我們預期這些爆炸的餘暉非常明亮且會持續很久。幾個近期發現的超亮超新星確實表現出了這些性質，因此一些天文學家聲稱，我們已經看到了巨大的恆星死於微觀粒子對的肆虐。另外一些天文學家並不認同這一觀點，他們認為這些數據用其他的理論可以得到更好的解釋。我們希望，未來通過對這些明亮且長時間持續的事件的觀測，可以更好地了解恆星殘骸雲的成分和速度，從而判斷這種物理圖景是否正確。

「假警報」超新星?另一種解釋超亮超新星的理論是它們起源於質量稍小的恆星（約70~150個太陽質量）。天文學家認為，和更重的家族成員一樣，它們也比較容易受類似的不穩定性的影響，但情況往往不會那麼糟。當這類恆星開始收縮，點燃更多的核燃料後，它有可能會反彈、膨脹，並在核聚變失去控制之前使得核反應停止，從而存活下來。但在重新達到平衡狀態的過程中，這顆恆星很可能會將很多外層物質吹散，產生一個「冒牌」超新星——一次類似暗弱超新星的爆發，而實際上只是恆星的一次瀕死體驗。

在這個質量範圍內的恆星有可能經曆數次這樣的劫難，每次丟失掉一些物質，直到最終耗盡了核燃料並像普通超新星一樣爆炸。當這樣一顆恆星真正死亡的時候，它會把殘骸驅散到恆星周圍的環境中，而這裡已經充滿了以前爆發留下來的外殼物質。超新星的殘骸與這些外殼物質的劇烈碰撞將會產生極其明亮的恆星焰火，這可以解釋一部分超亮超新星。

自動化巡天在近幾年記錄到了這種大質量恆星晚年的暴躁活動。2009年，天文學家注意到一顆看起來很普通，只是有點暗的超新星。這顆被命名為 SN 2009ip的超新星在幾周之後變暗，並很快被人們遺忘了。出乎所有人意料，一年之後在完全相同的位置又出現了一顆暗「超新星」。顯然這顆恆星並沒有死亡。2012年，天文學家觀測到了它的第三次爆發，而僅一個月後又有一次很亮的爆發。

一些科學家相信，倒數第二次爆發意味著這顆恆星真正死亡，而最後最亮的閃光則是超新星的殘骸雲撞入此前爆發拋出的物質而產生的。另一些科學家則認為這顆恆星依然健在，而且在未來還會用更多的爆發和我們玩捉迷藏。雖然塵埃落定還需要幾年的時間，但正像我們設想的那樣，我們現在已經看到了大質量恆星生命晚期這種劇烈的不穩定性。

「磁性」超新星?最後一種解釋超亮超新星的理論認為，造成它們超高亮度的主要原因並不是極大的質量，而是極快的轉動。初始質量為10~60倍太陽質量的恆星最可能以超新星的形式結束生命，最終形成中子星。如果一顆這樣的恆星原本就轉得很快，那麼其核心坍縮可以使中子星獲得極高的轉速，就像一個旋轉的滑冰選手收回手臂來加速一樣。原則上，一個中子星自轉速度可以達到1秒鐘1000圈，更快的話，中子星就會在離心力作用下解體了。大質量、快速自轉的中子星儲存的動能是巨大的，最高可達10貝特。

這些旋轉能量是如何為超亮超新星提供能量的呢？中子星擁有可以傳遞這種能量的強磁場。為了便於理解，想像在你手掌中旋轉一個冰箱磁貼。當你這樣做的時候，你扭曲了環繞它的磁場。儘管看不見摸不著，但你消耗的一小部分能量已經被用來在空間中產生電磁場的漣漪。我們認為，中子星周圍會發生同樣的過程，只是規模要大得多。我們能看到的最令人著迷的例子莫過於蟹狀星雲—— 一顆1054年就被中國天文學家記載的超新星的遺迹。我們今天所見的蟹狀星雲發出的光，能量來自一顆旋轉的中子星。中子星激發了磁性等離子體的漩渦，這個扭曲的磁場在近1000年的時間裡提取中子星的自轉能量用來加熱周圍氣體，為照亮美麗的星雲提供能量。

蟹狀星雲是超新星爆發留下的遺迹，天文學家認為，一顆旋轉的中子星製造出了磁性等離子體旋渦（藍色部分），照亮了這團星雲。

大約5年前，我和加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的同事拉爾斯·比爾德斯滕（Lars Bildsten）提出，這個過程的增強版或許可以解釋超亮超新星的高光度。這個中子星應該擁有比蟹狀星雲里的中子星強100~1000倍的磁場，而且以接近解體的極限速度旋轉。對於這樣一顆星，它的幾乎全部旋轉能量可以在一個月時間內耗盡，並使得它的超新星殘骸雲比蟹狀星雲亮100萬倍。儘管這些數字聽起來非常極端，但我們已經觀測到了一些中子星具有與此相當的磁場（雖然還沒有在超新星階段觀測到）。它們被稱作磁星（magnetar），擁有宇宙中已知最強的磁場。因此超亮超新星有時可能標誌著高速旋轉磁星的誕生和快速的減速。

奇異超新星

與超亮超新星相反的是，天文學家最近也發現了超新星發揮失常的奇怪現象。大視場巡天已經發現了亮度僅有普通超新星1%的奇異超新星。科學家在爭論這些暗弱爆發的原因，令人驚訝的是，有人懷疑某些奇異超新星是質量最大的恆星在生命結束時發出的悶響。

失敗的超新星現在我們還不清楚一顆恆星最多能有多大質量，但比較令人信服的區間大概是300~1000倍太陽質量（更大質量的恆星可能因為產生粒子對而爆炸）。你或許認為這些龐然大物會產生最壯觀的超新星爆發。但實際上它們產生的往往都是啞彈。這樣一顆恆星的引力太強，一旦變得不穩定，徹底坍縮將無法避免。坍縮在時空中撕開一個空洞，形成了一個比中子星更為緻密的天體：黑洞。

理論模型顯示，這樣的恆星的主體會被黑洞吞噬，從而突然從視野中消失。這種理論上可能存在的掃興事件被稱為失敗超新星（unnovae）。自動巡天尋找這類超新星的方法與尋找正常超新星相反，不是搜尋天空中突然的亮光，而是尋找一瞬間消失的亮星。

儘管它們沒能製造出一次大爆炸，但這類形成黑洞的恆星可能至少會發出一聲低鳴。這些恆星的核心被氫元素組成的稀薄氣體包圍。當恆星的主體被吸入黑洞的視界，這團氣體可能被加熱、吹散，發出微光。頗為諷刺的是，一顆非常大的恆星死亡時卻只能產生一顆非常暗弱的超新星。

碰撞的中子星還有一些低光度爆發可能來源於另一種極端情況：兩顆中子星的碰撞。大質量恆星經常成對出現，互相繞轉。兩顆恆星會先後發生超新星爆發，如果二者沒有在這些過程中分開，就會留下兩個中子星構成的雙星系統（或者一個中子星一個黑洞抑或兩個黑洞）。隨著時間推移，兩個緻密天體旋轉半徑越來越小，最終碰撞、合并成為一個更大的黑洞。最近，科學家發現了兩個黑洞併合放出的引力波，從而證實這一過程的確存在。計算表明，當中子星合并時，極端的引力（大約是地球施加於人體引力的100億倍）足以將恆星99%的物質都吸入新形成的黑洞里，而恆星表面1%的物質則被剝離下來，留在宇宙空間中。

這些逃出黑洞的一小部分物質很可能是一些奇怪的東西，是游離的粒子組成的蒸汽海洋，大部分是中子，還有一些質子和電子。隨著氣體彌散開來，這些粒子開始結合為更重的原子核。質子因為帶有正電荷所以會相互排斥，但中子是電中性的所以更容易和其他粒子結合。通過逐漸增加中子，原子核變得越來越重，產生一系列元素周期表下半區的元素，例如金、鉑和汞，與各种放射性產物如鈾、釷混合在一起。科學家認為，中子星碰撞是宇宙中為數不多的生成這些重元素的場所。

碰撞：中子星（綠色）與一個黑洞併合。這個模擬和科學家設想的雙中子星併合過程十分類似，雙中子星併合可以解釋一些奇怪的低亮度超新星。圖中的中子星被黑洞引力所扭曲（1和2），一些物質被拉伸為一條尾巴（3），其餘物質圍繞黑洞盤旋（4）。最終中子星幾乎所有物質都會被黑洞吞噬。

豐富的放射性物質會使得這團殘骸雲像一顆超新星一樣發光。但因為質量比較小（不到真正超新星的1%），我們預期它的亮度僅是普通超新星的1%，而且只能持續幾天。最近我和我在加利福尼亞大學伯克利分校指導的研究生珍妮弗·巴恩斯（Jennifer Barnes）的理論工作表明，這種雲團奇異的重金屬組分會使得它們發出特定顏色的光，不是深紅就是紅外。這種現象被稱作千倍新星（kilonova）。

近期，天文學家可能第一次在中子星碰撞過程中看到了這种放射性紅色「煙霧」。2013年６月，一個短暫的伽馬射線暴引起了天文學家的注意，這可能是一次近鄰中子星的併合現象。他們將哈勃空間望遠鏡指向了那個區域，並捕捉到了短暫的紅外亮光。幾周之後，亮光便消失了。取得的數據雖然很少，但與理論預言的千倍新星理應具備的特點一致。如果這次事件確實是千倍新星，那這就是我們第一次直接看到貴重金屬的產生過程。我們想觀測更多此類事件，更好地確認這些爆炸合成的重金屬數量，從而判斷它們是生成了宇宙中所有的金、鉑和其他重元素，還是僅僅貢獻了一部分。

超新星動物園（恆星的n種死法）

標誌著恆星死亡的超新星爆發，其多樣性遠高於科學家的預期。近期的觀測表明，有的超新星比常見的亮100倍。也有的超新星發揮失常，發出的光只有一般超新星的1%。理論天文學家已經提出了若干理論，來解釋何種恆星在怎樣的情況下會發生這些不正常的爆發。

混沌的宇宙

我們對動態宇宙的研究剛剛拉開序幕。在未來10年左右的時間內，將出現一批能夠在幾天內掃描大部分天區的新型自動望遠鏡，包括建於美國聖迭戈附近，即將投入使用的茲維基瞬變巡天裝置；還有位於智利，正在建設中的大型綜合巡天望遠鏡以及NASA計劃發射到太空的寬視場紅外巡天望遠鏡。這些項目將會讓我們發現的超新星增加數百倍。同時，先進的超級計算機將會有能力構建這些事件的精細三維數值模擬，使我們可以看到這些爆炸恆星核心深處可能發生的事情。

未來幾年收集的數據將會檢驗我們用來解釋恆星死亡的諸多理論。本文介紹的每種圖景都在物理上說得通，但沒有被證實。通過觀測更多的異常超新星，我們希望能夠確定這些可能的爆炸方式有哪些是真正存在的。其實最有可能的是，宇宙比我們想像的要奇怪得多，將會展現出我們現在做夢都想不到的更奇怪的現象。

最終，我們將會更詳細地了解構成了我們身體和周圍世界的物質的故事。舉例來說，你手指上的金戒指，其歷史可以追溯到人類祖先之前。這些物質一開始很可能是在一顆大質量恆星坍縮並被壓縮成緻密的中子星時，誕生於它的鐵核熔爐中。很久以後，也許要過10億年，這顆中子星可能撞上了另一顆緻密星，將放射性產物組成的雲團拋灑到宇宙空間中。雲團以每小時近1億千米的速度在星系中穿行超過1000光年，並在途中混合了其他氣體，直到最終融入了地球的地殼。過了一段時間，有人拾起遙遠恆星的饋贈，將其打造成一枚金戒指並開始講述他們自己的故事。

本文譯者?李文雄是清華大學物理系博士研究生。

本文審校?王曉鋒是清華大學物理系教授，主要研究領域是超新星爆發物理機制和前身星，以及時域天文學等。

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