宇宙中的「定時炸彈」？

科技 07-12

超新星是大質量恆星演化的終點，同時也是一顆「定時炸彈」

大恆星的死亡之路

超新星其實就是恆星死亡時的回光反照。夜晚我們在天空中看見的星星，除少數幾個外，幾乎全都是恆星。這些恆星的質量，從太陽質量的0.07倍到100倍左右不等。其中質量大於等於8倍太陽質量的恆星屬於大質量恆星，質量介於3倍～8倍太陽質量的恆星屬於較大質量恆星。大質量恆星的數量並不多，它們的壽命相對而言很短，在演化到生命終點附近時就會發生爆炸。此外，恆星的質量越大，壽命就越短。在發生爆炸時，恆星的亮度會急劇增亮，就成為了超新星。

相比之下，較大質量恆星若是雙星系統的成員，在它們壽命終點前，會先演化成為緻密的白矮星。白矮星巨大的引力和磁場作用會在自己表面吸引來自伴星的氣態物質流，質量也因此逐漸增大。在質量達到接近或超過1.4倍太陽質量時，白矮星會突然塌縮爆炸，急劇變亮而成為另一種超新星。

宇宙中的「定時炸彈」？

由此，我們知道了兩類超新星。上述的前者叫做II型超新星，如公元1054年的那顆超新星就是典型的II型超新星。由於爆炸從恆星內部開始，而且必須通過濃厚的氫氣層，所以恆星的極大光度受到限制，而且變亮速度較慢，光譜中自然地就有明顯的氫譜線。恆星中心的一些物質在極其巨大的壓力下，會被壓縮成特殊的星體，如中子星或者黑洞。中心體的質量介於1.4倍～2倍左右太陽質量之間時即為中子星，當它們的旋轉軸與我們觀測它們的視線方向的夾角不大時，我們會接收到它們發來的短周期脈衝信號，故而也被叫做脈衝星；中心質量大於2倍左右太陽質量的則肯定會變成黑洞。

上述的後者叫做I型超新星，典型的I型超新星，如公元1006年的超新星。由於爆炸時沒有濃厚氫氣外殼的遮光作用，最大亮度很亮，且變亮非常迅速，光譜中不含有氫譜線。I型超新星的爆炸會把整個恆星炸毀，中心不會留下特殊星體，正所謂徹底地「毀屍滅跡」了。

宇宙中的「定時炸彈」？

超新星遺迹與「再亮」

超新星爆發後被粉碎的殘餘物質會繼續留在太空中原來位置附近。它們在空間分布的尺度，會在相當長的年代裡在爆炸激波推動下不斷地擴大，形成一些形狀特殊的遺迹星雲。如公元1006年超新星遺迹星雲稱為RCW86，公元前48年超新星遺迹中則有脈衝星PSR J1833-1034等。而對於著名的蟹狀星雲，從它的膨脹速度推算，這顆超新星應該爆發於公元1054年前後，這與中國古籍《宋史》中記載的北宋至和元年出現的「周伯星」（「天關客星」）出現的時間不謀而合，加之超新星的對應和它內部脈衝星的發現，給大質量恆星發生II型超新星爆發後形成中子星的理論提供了一個強有力的驗證。

超新星遺迹星雲均在不停地膨脹中，由於爆炸產生的衝擊波和高能粒子，與早期演化遺留下的行星狀星雲物質相互作用，會在射電、紅外、光學、X射線、g射線等波段產生相當強的特殊輻射。所以，在超新星爆炸後的一定時間後還可能再次變亮。如公元1006年超新星在10年後的公元1016年就再次變亮，被史書記載為「周伯星再亮」。而1987年發現的SN1987A超新星遺迹，從1994年起哈勃望遠鏡就拍下了它的漂亮的環狀結構。

宇宙中的「定時炸彈」？

之所以如此，是因為在恆星演化過程中會不斷地向四周拋射出許多物質，特別是在它們的中心氫燃燒完畢後，外殼變得很大而中心又向內收縮，從而在核心外圍形成向外不斷膨脹的氣殼；在恆星變成超新星而爆發後，首先輻射能以光速傳播，從而能夠在數月到數十年時間後趕上物質外殼，於是外殼因散射、激發輻射等方式發光，其亮度通常達到超新星極大亮度的百分之幾以上。

不同類型超新星的這種結構尺寸不盡相同，光速輻射追趕上低速星殼所需的時間長短也很不相同。II型超新星的前身星是大質量恆星，演化速度很快，由紅巨星到超新星爆發之間的時間很短，所以星體外的拋灑物質殼層的半徑很小。比如SN1987A的內環半徑僅0.65光年。而超新星爆發後的0.65年內仍然相當明亮，所以人們看不出有再次變亮。相比之下，I型超新星的前身星是雙星中的較大質量恆星，演化速度要慢得多，從紅巨星到超新星爆炸，中間還要經過漫長的雙星演化和表面物質吸積過程，需要非常長的時間，所以殼層的半徑可能達到10光年。公元1006年的超新星在10年後的亮度，至少應達到了-3等左右，所以中國宋代天文學家記載下了「周伯星再亮」，而且這種變亮會延續相當長的時間。

宇宙中的「定時炸彈」？

哈勃空間望遠鏡從1994年起觀測到了超新星1987A的類似情況，即在爆發7年之後也出現了變亮的情況。而且這種變亮不是超新星爆發的光輻射回聲，而是超新星爆炸拋射出的物質以每秒上萬公里的速度到達時碰撞激發的變亮。變亮也要延續相當長的時間。由於現代望遠鏡具有極高的角解析度和時間解析度，所以能觀測到它複雜的環狀結構及其隨時間的變化。

其實所有的超新星爆炸後都會有這種再發亮的現象。而且都應當具有複雜的環狀結構。只是一般的超新星都過於遙遠，極大亮度本來就看起來不夠亮，而「再亮」的亮度更暗，所以能看到的機會就更少了。

宇宙中的「定時炸彈」？

現代天文學與古代記載「握手」

目前，兩大類超新星共留下了3類超新星遺迹。第一類如1006年超新星的遺迹，是I型超新星留下的中心空曠的環型擴張星雲。這類遺迹占目前發現的超新星遺迹的80%左右。第二類如1054年超新星的遺迹，是II型超新星留下的中心存在一顆中子—脈衝星的蟹狀星雲。第三類如船帆座超新星的遺迹，中心具有緻密天體，但外圍仍然是殼層結構的星雲。它們與一般的瀰漫星雲不同，會在爆炸激波和物質流的推動下繼續向外擴張。因此，根據測量得到的擴張速度回溯推算，就可以大致地推測出超新星爆發的年代。

對於有些瀰漫星雲，人類原本不知道它是一顆超新星爆發的遺迹。但是從它的膨脹性質、高能輻射特徵等認定它很可能是超新星遺迹。根據它的膨脹速度往回推算出它們大致的爆炸年代，再從歷史記載中尋找線索，居然可能與一些歷史記載互相符合。比如RCW86（G315.4-2.3）與公元185年「中平客星」符合；G11.2-0.3與公元386年超新星符合；SNR393與公元393年超新星相符合。這一情況，把古代天文文獻與現代天文學聯繫起來，顯示了人類文明史的不間斷的鏈接，也彰顯了現存古代天文文獻的價值。

位於南天的船帆座超新星遺迹，對應的超新星爆發時代應在大約10000萬年前，迄今無文字記錄可與之對應。天鷹座的W50遺迹的情況也是如此。在銀河系內，目前人類已經發現了200多個超新星遺迹，而人類文明史記載的銀河系內超新星卻僅有10餘個。

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