它是一顆滴答作響的定時炸彈，一顆巨大恒星的生命中最后幾分鐘，是難以形容的能量爆炸，是我們在宇宙中看到的最具災難性的事件。它的亮度比構(gòu)成銀河系的數(shù)千億顆恒星的總體亮度還要亮！

(資料圖)

然而，這些恒星的死亡同時也是生命演化的關(guān)鍵。我們的存在離不開超新星，可以說，沒有超新星，我們就不會存在。

當然，不是每顆恒星都有資格成為超新星的，想要成為超新星，科學家們認為它的質(zhì)量至少要比我們的太陽大8倍。

太陽主宰著我們的太陽系，所以我們很容易把太陽想象成一個難以置信的巨大物體，但是如果我們的太陽與宇宙中其他一些巨大的恒星相比絕對是很小的。

有一些巨大的恒星，我們?nèi)庋垡材芸吹健Ｔ谝箍罩杏幸活w亮度排第十星星，它是一個紅色超巨星，大約是太陽質(zhì)量的15倍，那就是——參宿四。

參宿四非常巨大，如果把它放在我們的太陽系里，它會延伸到木星的軌道上。它是銀河系中最大的“猛獸”之一，同時也是一顆瀕臨死亡的恒星。

參宿四的年齡不到1000萬年，它馬上就要爆炸了。一旦發(fā)生，我們將看到天空的一片區(qū)域在14天內(nèi)變亮，直到它幾乎和滿月一樣亮。這將是歷史上最壯觀的表演之一。

參宿四爆炸時天空的景象想象圖

而且，它隨時都可能發(fā)生！也就是說，在夜晚，當我們抬頭看獵戶座，看到參宿四，說不定你能就看到它爆炸了。

那么是什么讓參宿四變成超新星呢？

【超新星的生命過程】

要了解一顆巨恒星的死亡，我們就需要了解它的生命過程。從誕生到死亡，一顆恒星的生命就是一場永不停息的戰(zhàn)斗。

重力不斷地向內(nèi)拉，而能量卻不斷向外推，在恒星的內(nèi)部正在將無數(shù)個原子核融合在一起。原子相互撞擊，距離非常非常接近，如果它們離得足夠近，它們就會粘合在一起，形成一個更大的原子，同時產(chǎn)生巨大的能量。

一顆巨恒星每一秒鐘就會聚變75億噸的氫。這個能量大約相當于，每秒1000億顆原子彈。這絕對是一個巨大的爆炸。

這種爆炸性的能量可能會把恒星給炸開，但恒星自身巨大的引力就像有個蓋子給蓋住了。

可以這么說，宇宙中的一切都是向內(nèi)的引力與向外的壓力或能量之間的戰(zhàn)爭。天空中的每一顆星星，甚至我們的太陽都是一個令人難以置信的動態(tài)戰(zhàn)場。

在很多方面，恒星實際上是一種大到無法炸開的爆炸，是引力將其凝聚在一起。這兩種對立力量的戰(zhàn)爭決定了恒星的生與死。

這就是尺寸的重要性所在，恒星質(zhì)量越大，向內(nèi)的引力就越大，同時恒星向外的推力也就越大，以維持自身的生存。

非常大的恒星就像服用了類固醇的恒星，它們有很多燃料可以燃燒。它們的能量非常巨大，以至于它們以極快的速度耗盡燃料。

像參宿四這樣的大質(zhì)量恒星是巨大的工廠，這個工廠將較輕的元素融合成較重的元素，但最艱苦的工作要到它們的最后幾年才開始。

在它們生命的90%時間里，它們將氫聚變成氦，但最終，氫開始耗盡。在超巨星的核心有一系列的聚變過程，從較輕的元素到較重的元素，并且聚變的速度越來越快，死亡倒計時開始了。

來自引力的向內(nèi)推力起了作用，提高了內(nèi)核的溫度，氦開始聚變成碳。由于恒星核心有足夠的氦，所以可以維持一百萬年。當然，相比于整個恒星的生命周期，這個時間還是很短的。

所以氦也會很快用完，然后核聚變開始加速，碳被熔合成氖。這需要大約1000年的時間。

接下來就是氖聚變成硅，這大約需要一年的時間。一旦開始將硅熔化成鐵，這只需要一天的時間。

此時的恒星已經(jīng)變得越來越瘋狂，這有點像一個烹飪比賽節(jié)目，隨著時間的流逝，他們想做的事情越來越多，他們會變得越來越手忙腳亂，直到，叮，時間到了。

正當這顆恒星正處于垂死掙扎之中，一旦鐵的生產(chǎn)開始，這顆恒星的“喪鐘”就敲響了。

一個巨大的鐵球在垂死的恒星的中心形成，這個鐵球直徑達幾千英里，溫度高得令人難以置信。在恒星中心的溫度可達到10億度。

這種高溫是由核聚變反應引起的，越來越多的反應產(chǎn)生越來越重的元素。每一步，產(chǎn)生的能量越來越少，直到產(chǎn)生鐵。

當試圖融合鐵核時，核聚變反應不但不會再產(chǎn)生能量，而且還會吸收能量所以一旦核心開始聚變鐵，它基本上就在竊取自己的能量。不斷增長的鐵核從恒星中吸收越來越多的能量，而與此同時，引力仍然在向內(nèi)拉。

也就是說，本來恒星就是靠著核心的核聚變反應生產(chǎn)的能量在維持平衡，而現(xiàn)在，聚變鐵時，不但不幫著恒星對抗引力，反而助紂為虐，對恒星進行反戈一擊。

于是整個恒星的核心被擠垮了，這顆星注定要滅亡，引力獲勝最終勝利。鐵芯的邊緣崩塌了，數(shù)萬億噸的高密度鐵以1/4的光速向內(nèi)墜落。這顆恒星現(xiàn)在只剩不到一秒的生命了。

事情很快就會分崩離析，核心坍縮的速度是如此之快，以至于恒星的外層甚至沒有時間做出反應 它們就掛在那里。

這有點像你手上托著一個東西，突然你把手抽走，你手上的東西不會立即掉下去。

接著恒星的其余部分坍塌了，一億億億億噸的氣體隨著鐵向內(nèi)噴射，最終引發(fā)了宇宙中最劇烈的爆炸。壯觀的致命一擊，可以使星系中所有的星星都黯然失色。

爆炸的超新星

【抓住超新星】

但有一個問題，科學家們?nèi)匀徊荒芡耆斫猓阂粋€坍塌的鐵球和大量下降的氣體是如何形成一個巨大的火球的？

這個崩塌的內(nèi)核是如何引發(fā)大規(guī)模爆炸的，這是天體物理學中最大的謎團之一。

這涉及到一些人類已知的最復雜的天體物理學，而科學家們卻并不完全了解。

這個過程的細節(jié)，科學家們遺漏了一些東西。

因為我們發(fā)現(xiàn)超新星幾乎總是太遲了，之所以這么說，是因為當你看到的是恒星變亮，這是在事件發(fā)生后才看到的。

所以現(xiàn)在的關(guān)鍵不是找到一顆超新星，而是找到我們稱之為爆發(fā)的時刻。這次爆發(fā)是一顆巨星的死亡之聲，這是核心坍塌后的那一刻。

當恒星在一束巨大的可見光閃光中爆炸，在整個天文學歷史上，這一時刻只被捕捉過兩次——一次是由美國國家航空航天局價值數(shù)百萬美元的太空望遠鏡開普勒拍攝的; 另一次是由一個非常幸運的阿根廷業(yè)余愛好者拍攝的。

有個業(yè)余天文學家叫維克多·布索，他院子里的天文臺里有一個很好的望遠鏡，他不停地拍攝著恰巧在他頭頂上的同一個星系的照片。

他只是碰巧看到了，天空中正確的區(qū)域，幸運的是，他捕捉到了超新星爆發(fā)的沖擊波。抓住這個時刻的機會是千萬分之一。維克多捕捉到的是沖擊波到達表面的瞬間。他真的很幸運。

維克多注意到這個斑點，出現(xiàn)在他的照片上。意識到自己捕捉到了一顆爆炸恒星發(fā)出的第一道閃光，他提醒了全球的專業(yè)天文學家。

維克多抓拍到的超新星爆發(fā)的沖擊波

天文學家Alex Filippenko和他的團隊監(jiān)測了這顆恒星發(fā)出的越來越亮的光。

他們在研究buso超新星發(fā)出的光時發(fā)現(xiàn)，當一種沖擊波，一種穿過恒星的超音速波從表面爆發(fā)出來時，這個物體會在短時間內(nèi)迅速變亮。當它到達邊緣時，巨大的能量被釋放為巨大的閃光。

這是令人震驚的時刻，巨大的沖擊波以每小時近三萬英里的速度傳播，穿過恒星的表面，并把它撕成碎片，然后起爆。

科學家們在地球上看到了爆炸產(chǎn)生的沖擊波，它們可以穿越氣體、液體和固體包括塌縮恒星的外層。

觀察到?jīng)_擊波到達恒星表面的過程非常重要，因為維克多成功地捕捉到了一顆恒星變成超新星的瞬間，這是一個科學寶藏。

爆炸的沖擊波就像宇宙中的金粉，曇花一現(xiàn)，只持續(xù)了20分鐘——這在天文學的時間尺度上只是一眨眼。

【超新星爆炸之謎】

但是什么引發(fā)了沖擊波呢？這只是一個反彈的問題嗎？

超新星的沖擊波，也許可以用籃球來解釋。

關(guān)于一顆爆炸的恒星，核反應會在核心中發(fā)生，然后外層會以極高的速度向內(nèi)核墜落，然后它會反彈。

恒星的結(jié)構(gòu)給了它非常多的能量，當垂死的恒星燃燒它的燃料時它產(chǎn)生了不同的元素層——核心是重鐵，上面是一層層較輕的元素。

所以，假設只有一層，就有一個反彈，就像扔一個球到地上，它反彈得不高。

但假設它像恒星一樣排列，重的在底部，輕的在頂部。就會如下圖一樣，網(wǎng)球就會彈得非常高。

這是因為籃球彈跳的能量向上轉(zhuǎn)移了。

同樣的事情也會發(fā)生在坍塌的恒星中，但是會有更多的層，所有不同的元素都向內(nèi)坍塌，較重的層首先撞擊致密的內(nèi)核，將能量傳遞給較輕的內(nèi)核，這就產(chǎn)生了沖擊波。

但這種能量不足以將沖擊波一路推到恒星外。

問題是，當科學家們用計算機模型仔細觀察時，發(fā)現(xiàn)它不起作用，沖擊波似乎停止了。計算機的模擬結(jié)果，無法讓恒星爆炸。

五十年來，科學家們都不知道問題出在哪里。科學家們懷疑其中有其他原因。像參宿四這么大的恒星死亡時，它的爆炸會發(fā)出沖擊波在太空中能傳播數(shù)萬億英里。但這些沖擊波是如何產(chǎn)生的幾十年來一直困擾著科學家。

科學家們認為，應該是來自恒星內(nèi)核的一種全新的能量來源，能夠真正導致恒星最終分裂的東西。

科學家們懷疑這種能量來自一種神秘的粒子，叫做中微子。

中微子是一種對我們來說仍然有點神秘的基本物理粒子。它們幾乎就像幽靈一樣，它們會穿過我們身體卻不會接觸到我們。

很像光的粒子，光子。但與光子不同的是，中微子不帶電荷，它們可以穿過恒星、行星和我們。

那么它們是從哪里來的呢？科學家們猜測恒星本身就是這個源頭。

在恒星核心的中間，正在產(chǎn)生一種叫做中子星的東西——一種神奇的、超壓縮的物質(zhì)球。直徑只有大約16公里左右。

當恒星的鐵核坍塌時原子被擠壓在一起，質(zhì)子和電子被迫結(jié)合而形成中子，這個過程釋放出大量的中微子。

盡管中微子是宇宙中最豐富的粒子之一，但眾所周知，它很難被探測到。

但在1987年，科學家們非常幸運，他們得到了一份絕妙的禮物。附近星系的一顆大質(zhì)量恒星變成了超新星。

這是大約400年來第一顆肉眼可見的超新星。科學家們有很多的望遠鏡用來研究它的電磁波譜。

但是1987年的超新星引發(fā)了另一個科學儀器——一個隱藏在日本一座山下深處的中微子探測器。

山下深處的中微子探測器

這是與超新星有關(guān)的中微子爆發(fā)，這只是一個奇妙的驚喜，一個美妙的額外獎勵。

這是超新星發(fā)射中微子的確鑿證據(jù)。

可能中微子像個幽靈，它們不會輕易地從坍塌的恒星內(nèi)核中緩慢地漂移出來，他們必須以爆發(fā)的形式才能出來。

超新星爆炸內(nèi)部的神奇之處在于它的密度足以捕獲中微子，突然之間，就有了壓力。

當科學家們在計算機模型中加入中微子的壓力時，沖擊波離核心越來越遠。然而，超新星仍然沒有爆炸。

還需要一個因素——無序。

因為恒星是圓的，所以人們很容易認為超新星爆炸也會是圓的。但是超新星并不完全對稱，來自沖擊波和中微子的能量是混亂的。會以一種不可預測的方式加熱氣體。它們引起熱氣泡上升，然后下降，再上升，再下降。

這是一種沸騰的運動，這給氣體帶來了大量的湍流。

于是，研究人員把所有的成分都加到一臺超級計算機上，然后讓它運行。

當沖擊波離開核心的時候，它會在上面墜落的元素中產(chǎn)生微小的漣漪，漣漪變成了巨大的晃動的波浪，中子爆發(fā)出的中微子，加熱了上面的元素層，導致它們起泡和上升。

最終，高溫與這些劇烈運動產(chǎn)生的壓力結(jié)合在一起，將沖擊波像星際海嘯一樣噴發(fā)出來，將恒星粉碎成碎片。

計算機模擬結(jié)果

事實證明，恒星確實會爆炸，大自然知道它在做什么。剛開始計算機模型，太簡單了，所以超新星無法爆炸。一旦模型變得更加復雜，就要開始考慮恒星的所有維度，超新星模型就會開始爆炸。

沖擊波穿過了所有組成大質(zhì)量恒星的元素層，只要幾個小時就能到達外緣，并觸發(fā)第一道閃光。

【仙后座“a”】

但這道閃光只是超新星的開始，這場壯觀的燈光秀才剛剛開始。

關(guān)于超新星的一個有趣的事情是，當恒星爆炸時，它不會立即達到最大亮度。這需要幾天甚至幾周的時間。

第一道閃光是超新星爆炸的一部分，這道閃光將成噸的物質(zhì)噴射到垂死恒星周圍的太空中。但正是這些噴射出來的碎片讓超新星發(fā)光，它們的發(fā)光程度往往比爆炸本身還要亮。

重元素是在大質(zhì)量恒星的核心內(nèi)部形成的，但更重的元素是在爆炸本身的事件中形成的。

當恒星撕裂的時候，溫度和壓力都是巨大的。曾經(jīng)構(gòu)成恒星層的元素融合在一起，然后創(chuàng)造出更重的元素。其中一些是有放射性的，這些放射性元素的衰變實際上就產(chǎn)生了光。

這使得它在更長的一段時間內(nèi)，擁有更多的亮度。這片明亮閃亮的物質(zhì)云，可以持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年。這些超新星殘骸像宇宙煙火一樣照亮了宇宙。

這些通常都是夜空中非常美麗的東西。但這些并不只是漂亮的燈光秀，它們對星系和恒星系的演化起著至關(guān)重要的作用。

一些必要的成分，比如硫，磷以及碳和氧。它們都是建造一個像地球這樣的巖質(zhì)行星所必需的元素。這些元素也只能在大質(zhì)量恒星內(nèi)部形成，并且只能通過超新星爆炸傳播。

美國宇航局的錢德拉太空望遠鏡研究了銀河系中最著名的天體之一——超新星遺跡仙后座 “a”。

仙后座 “a”是一個相對年輕的超新星殘骸，甚至還不到400年。自從仙后座 “a”爆炸后，一直在擴大。現(xiàn)在它的直徑是29光年，利用x射線，錢德拉太空望遠鏡觀察了這片巨大星云的內(nèi)部。

仙后座“a”

科學家們發(fā)現(xiàn)，這次事件噴出的物質(zhì)，創(chuàng)造了比地球質(zhì)量大幾萬倍的重要物質(zhì)。70000倍地球質(zhì)量的鐵，還有100萬倍地球質(zhì)量的氧氣。這些元素對生命，對地球，對我們都很重要。

所以說，我們血液中的鐵，骨骼中的鈣，都是在數(shù)十億年前超新星爆炸中形成的。

這項新研究揭示了，更不尋常的事情。仙后座“a”也擁有構(gòu)成生命的元素。

科學家們在那顆超新星殘骸中看到了DNA所必需的每一個原子。我們的DNA分子是由曾經(jīng)存在于大質(zhì)量恒星核心的物質(zhì)組成的。

【僵尸恒星】

幾千年來，人類一直對天空中出現(xiàn)的明亮的新星感到好奇。隨著不斷的觀察到超新星，科學家們發(fā)現(xiàn)，并不是所有的超新星都是一樣的，它們有很多種。

有些是白矮星從一個雙星中竊取物質(zhì)，然后變得非常大，最終導致爆炸的結(jié)果。

除此之外，所有其他超新星，都是在自身引力作用下坍縮的大質(zhì)量恒星。

科學家們還根據(jù)是否存在氫，對超新星進行了分類，把超新星分為I型或II型。

如果把來自超新星的光分解成不同的顏色，就得到了它的光譜。如果光譜中有氫的特征，那就是II型超新星。如果缺氫，那就是I型。

或許你會認為，既然科學家已經(jīng)對超新星進行分類了，那么一定對超新的研究的差不多了。然而，事實上并沒有。超新星還有很多未知之謎。

2014年9月，一顆超新星出現(xiàn)在大熊星座，明亮光持續(xù)了600天。當科學家們檢查記錄時，他們發(fā)現(xiàn)60年前，在同一地點發(fā)現(xiàn)過一顆超新星。

一顆恒星似乎在一次又一次地死亡。這顆特別的恒星是科學家們以前從未見過的。它看起來很奇怪，在幾年的時間里，它實際上變亮和變暗了大約五次。

從總能量的角度來看，每一次的增亮都可以稱得上是一顆超新星。這顆超新星似乎永遠不會消亡。

那么這怎么可能在同一顆恒星上一再地發(fā)生呢？一顆恒星怎么會有多次死亡呢？這真的像是一個僵尸恒星。

經(jīng)過研究，科學家們認為，答案就在于其龐大的規(guī)模。

這顆恒星，是一顆非常大的恒星，大約是太陽質(zhì)量的100倍或更多。這是一顆恒星在不分裂的情況下的最上限。

這顆恒星是如此之大，以至于核心的反應非常驚人。這些高能的反應，產(chǎn)生的不僅僅是元素，同時產(chǎn)生了伽馬射線。

伽馬射線是你能想象到的最具能量的光，是伽瑪射線的巨大能量支撐著垂死的恒星，對抗著向內(nèi)推的引力。

但它也影響著伽瑪射線本身，超過一定能量的伽馬射線，會做出一些奇怪的事情：它們可以把自己變成物質(zhì)。

我們都知道，物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變成能量，這就是原子彈與氫彈的原理。愛因斯坦的質(zhì)能方程讓我們知道了，質(zhì)量能轉(zhuǎn)變成非常多的能量。

事實上，這個過程也可以逆向的。即能量也會轉(zhuǎn)變成物質(zhì)。科學家們所說的宇宙大爆炸就是整個宇宙是由一個純能量點在一個巨大的爆炸中產(chǎn)生的。

所以這個過程同樣發(fā)生在這顆巨大恒星的核心，這種轉(zhuǎn)變影響了恒星核心引力和能量之間的微妙平衡。核心開始崩塌，當它坍塌時，會產(chǎn)生更多的能量，這種能量從恒星的外層泄漏出來。

于是，我們突然間看到了變亮的恒星。它會多次變亮或變暗，每次都會釋放一些物質(zhì)，但不會完全爆炸。這幾乎是超新星級別的能量，這就是一開始愚弄天文學家的原因。

最終，脈搏停止了，恒星平靜了下來，準備再活一些時候。天文學家仍然不知道這顆“僵尸”恒星是否已經(jīng)最終死亡。

【“變色龍”超新星】

但這并不是唯一一顆讓科學家們撓頭的神秘超新星。超新星 sn 2014c同樣讓科學們感到奇怪。

當 sn 2014c 第一次被發(fā)現(xiàn)的時候，氫并不存在，所以它最初被歸類為I型。

但后來，氫突然出現(xiàn)了，科學家們意識到，這實際上是II型。這是一種變色龍超新星，從I型，不含氫到II型，充滿氫。

超新星是如何從沒有氫變成有氫的？

變色龍超新星讓科學家們很困惑，直到他們用核星x射線望遠鏡觀察它時，才揭示了這顆恒星為什么會噴發(fā)出大量的氫。

那次噴發(fā)大量的氫，并非發(fā)生在超新星爆發(fā)期間，而是幾十年前的事。這顆恒星質(zhì)量很大，相對來說也不穩(wěn)定。大約在一個世紀前，它經(jīng)歷了一次爆炸——沒有大到成為超新星。

但它排出了恒星中所有的氫，所以它是I型。然后恒星又爆炸了，超新星噴發(fā)出的氣體，撞向了恒星爆炸前排出的氫。一旦噴射出的氣體撞進去，就會導致氫氣發(fā)光，然后科學家們在光譜中看到了氫，所以它變成了II型。

科學家對超新星了解得越多，它們就變得越復雜。科學家們認為，可能還有未被發(fā)現(xiàn)的超新星。

【恒星的生死循環(huán)】

一顆巨恒星的死亡——它不僅僅是一場史詩般的爆炸，同時它又是釋放了形成我們周圍宇宙的元素風暴。

宇宙中有一個奇妙的生死循環(huán)。每一顆恒星都是從誕生，然后過著自己的生活最后死去。當它們死亡時，它們用新的原子和新的化學物質(zhì)豐富了宇宙。這些物質(zhì)繼續(xù)形成新的恒星和新的行星。

從爆炸中吹出的塵埃形成了壯觀的星際云——星云。而星云是恒星的搖籃，包括我們的太陽系。

科學家們擁有確鑿的證據(jù)證明我們的太陽系是從超新星的灰燼中誕生。

首先超新星爆炸時，會產(chǎn)生了一些非常罕見的放射性元素。而這些放射性元素我們今天仍然可以在太陽系中看到。

而且在我們的星球上隨處可見，并且只在超新星中產(chǎn)生。這證明了地球和太陽系是由46億年前爆炸的恒星產(chǎn)生的。

而且超新星對地球的影響不只是在誕生之前，在地球的整個生命周期中，同樣會不時地影響著地球。

科學家們有一些證據(jù)表明大約在250萬年前，曾發(fā)生過一次特殊的超新星爆炸。這次爆炸使地球上沉積了一種特殊的鐵——鐵60。

這種放射性元素是超新星爆發(fā)時產(chǎn)生的。在這個時期的化石中發(fā)現(xiàn)有很多鐵60的元素，它們嵌在地球的地殼中。

而250萬年前，地球上的生命發(fā)生了巨大的變化。非洲大部分的森林被草原所取代，各種植物和動物滅絕，許多新的物種出現(xiàn)了。

但是，超新星是如何在不徹底毀滅地球的情況下如此戲劇性地改變地球上的生命的呢？

關(guān)鍵就是距離。超新星爆炸時會產(chǎn)生大量的伽馬射線，超新星中的一些難以置信的能量就以伽馬射線束的形式離開恒星。如果這顆超新星離地球足夠近，那束射線指向地球，那么臭氧層就會受到損害。

臭氧層破壞會引發(fā)基因突變，并引發(fā)不同形式的植被，從而殺死海洋中的藻類。突變驅(qū)動著所有生命形式的進化，從最簡單的到最復雜的。

所以可以想象，由于一顆相對較近的超新星的爆發(fā)引發(fā)突變導致了產(chǎn)生早期人類，和后來的智人。這實際上影響了地球上生命的進化，尤其是人類。

所以超新星雖然具有非常暴力的一面，但是在太陽系的形成過程中，以及我們?nèi)祟惖男纬蛇^程中有很多步驟都與超新星密切相關(guān)。

它們創(chuàng)造了化學元素，甚至可能促進了我們的進化。所以還是那句話，如果沒有爆炸的恒星，我們很可能就不存在了。從某個角度上講，我們每個人都是一顆死亡的恒星所變成的。

這些史詩般的爆炸，正在揭開我們存在的最大的謎團。超新星的故事隨著每一個新發(fā)現(xiàn)而變得更加有趣和復雜。

我們每個人都要感謝超新星，但現(xiàn)在還是請你離我們遠一點。