恒星死亡现场

航天 · 2016-11-3 16:00:24

撰文 丹尼尔•卡森（Daniel Kasen） 翻译 李文雄 审校 王晓锋　　在我们可观测到的宇宙中，几乎每一秒都有一个太阳在恒星灾变过程中毁灭。这些过程包括恒星的脉动、恒星间的碰撞、恒星坍缩成一个黑洞或者以超新星的形式爆炸。宇宙中这些激烈的活动长久以来一直被看似平静的夜空所掩盖，不久前才成为天文学关注的焦点。在近一个世纪的岁月中，科学家孜孜不倦地探索宇宙数十亿年的演化历程，但直至最近我们才得以在天甚至小时的时间尺度上分析天体事件，从而见证恒星变化无常的生死历程。　　尽管在过去我们缺乏详细研究这些现象的工具，但关于宇宙中暂现天体的记载至少可以追溯到一千多年前。中国北宋的观测记录显示，1006年天空中出现了一颗“客星”，肉眼可见时间长达数周，此后慢慢变暗。1572年，伟大的天文学家第谷•布拉赫（Tycho Brahe）也记录下了类似的事件。约30年后，约翰尼斯•开普勒（Johannes Kepler）也观测到了此类事件。我们现在知道，这些历史记录中的异常天象其实就是恒星的超新星爆发。超新星在最亮时，光度可以超过太阳的10亿倍以上，但由于到我们的距离过于遥远，它们在我们看来仅仅是微弱的光点，很容易淹没在浩瀚的夜空中。　　现代技术正在革新关于动态宇宙的研究。望远镜已经可以自动运行并且配备了高分辨率的数码相机，产生的观测数据再交给计算机图像处理和模式识别软件进行分析。这些设备定期监控着广大的天区，能够敏锐地发现其中任何突然变亮的天体。在过去大概十年间，这些新技术使得天文学家每年发现成千上万的恒星爆发事件，这意味着每周我们新发现的超新星数量都相当于20世纪的总和。　　我们不仅发现了更多的超新星，还发现了不可思议的新种类超新星。有些超新星异常明亮，比普通超新星亮100倍；还有一些亮度却仅有普通类型的1%。有一些是深红色的；有一些则主要辐射紫外线。有一些可以维持高亮度长达数年；有的却在几天中昙花一现。由此可见，恒星死亡方式的多样性要远远超出我们之前的认识。　　天文学家仍在追寻导致这些奇怪恒星爆发事件的原因。显然，这些爆发现象正在为我们提供重要的线索，帮我们了解恒星的生死历程并研究最极端的温度、密度和引力条件下的物理学。通过研究各种各样的超新星，我们希望最终可以了解是什么使得恒星瓦解并转变为像黑洞这样的恒星遗骸。　　超新星也可以在一定程度上帮我们认识自己的起源。宇宙在大爆炸之后几乎仅包含氢和氦这两种最轻的原子。根据现有理论，我们遇到的任何较重的元素，如骨头中的钙、血液中的铁等，都是由超新星制造并释放到宇宙空间中的。科学家过去认为，所有最重的元素都是由普通超新星产生的。但现在，他们发现了太多不正常的超新星，这表明元素周期表不同区域的元素可能有着不同的起源。通过观测大量各种类型的超新星爆发，我们可以逐渐了解构成地球和所有生命的元素是怎样制造出来的。　　恒星灾变　　要领会新发现的一些超新星有多么奇特，让我们先看看本身就很奇妙的典型超新星。一颗恒星就是一台稳定的核反应堆：一团大质量的等离子体被引力束缚在一起，高压致密的核心通过核聚变为等离子体提供能量。核聚变产生的热提供向外的辐射压力，与向内的引力相抗衡。超新星爆发表示二者的平衡被打破了——引力远远超过了核反应的辐射压力，或者反过来，辐射压力超过了引力。　　最典型的超新星爆发出现在中等大小的恒星身上，它们的质量是太阳的10倍或更多。它们在数百万年的生命中，不断地通过核聚变将氢变为重元素。一旦将核心燃烧成了铁（对于核反应来说是无法燃烧的灰烬），聚变就无法持续了。失去了向外的压力，恒星的内核在引力的拉扯下向内坍缩，体积减小到此前的百万分之一，成为了叫做中子星的超高密度天体，在直径仅几千米的范围内容纳了质量超过1个太阳的物质。这个自由落体过程中释放的巨大能量会将恒星的其余部分炸碎。　　为了对典型超新星爆发产生的能量有一个直观认识，想象一下我们的太阳在几秒钟内将足够使用超过100亿年的氢元素完全烧光。有一个专门用于计量这种巨大能量的物理单位：1贝特（以诺贝尔奖获得者，美国天体物理学家、核物理学家汉斯•贝特命名）。当一颗超新星爆发时，其内部温度上升至超过28亿摄氏度，会激发超音速的冲击波，所过之处留下一堆刚刚经聚变产生的重元素，如硅、钙、铁，还有镍、钴和钛的放射性同位素。在几分钟之内，恒星土崩瓦解，成为由灰烬和放射性残骸组成的云团，以每小时3200万千米的速度向外扩散，相当于光速的百分之几。　　幸运的是，我们的太阳因为太小所以永远不会成为超新星，但如果它成为了超新星，地球接收到的第一个信号将是足以毁灭这个行星上所有生命的短暂而强烈的X射线闪光。在几分钟之内太阳残骸云团的大小会变成太阳此前的两倍，亮度则会增加近1000倍。几个小时后太阳的残骸云就会吞噬地球，一天以后木星和木星也会遭此厄运。几周之后太阳的灰烬就会遍布整个太阳系。到那时候，太阳的残骸云将会变得透明，束缚在其中的光倾泻而出，亮度在顶峰的时候可达到太阳的10亿倍，之后慢慢变暗。　　天文学家几乎从来没有观测到超新星的X射线暴，而且我们也很难从历史数据中找到超新星前身恒星的图像。正常情况下我们看到的仅仅是爆炸的余波：膨胀中的巨大云团和持续数周可见的放射性残骸。通过观测这些灰烬，我们试图推理出爆炸之前的恒星是什么类型以及它是如何被摧毁的。　　亮得不可思议　　在最近发现的奇怪超新星家族的成员中，最引人注目的也许是那些能量最高的爆炸——我称之为超亮超新星（ultranovae），它们的亮度是正常超新星的100倍以上，是目前发现的最亮、最远的超新星，几乎在整个可观测宇宙中都可看见。这种事件是极为罕见的，可能1000次超新星爆发中只有1个这样的例子。天文学家现在还没有确定无疑的证据来解释这些爆发为什么这么亮。但他们提出了三个主要的理论。可能其中的某个理论可以解释大多数甚至所有我们看到的超亮超新星，但更可能的是，三种物理图景都有一定的发生概率。　　1）“粒子对”超新星 　　自然而然地，很多研究者尝试寻找超亮超新星与极大质量恒星的联系。理论表明，非常大的恒星的确是相当脆弱的，容易受到各种不稳定性的影响。尤其是150~200倍太阳质量的恒星，它们的核心会变得非常热，从而会产生一批正反物质粒子对（即电子和正电子）。产生这些粒子需要消耗能量，这会减小恒星向外的压强，使得仍有核燃料可用的核心向内坍缩。这样的后果是灾难性的。核心向内坍缩会加速核聚变过程，使其失去控制，把几乎所有的东西都烧光。大约100贝特的能量瞬间释放出来，会让坍缩过程反转，把恒星彻底爆开，最后任何物质都不会剩下。　　这些最猛烈的核爆炸会产生残骸云团，其中的放射性物质比普通超新星的残骸多1000倍。因为这些云团理应质量极大且很不透明，所以光在其中要花一年甚至更长的时间才能逐渐扩散开。因此，我们预期这些爆炸的余晖非常明亮且会持续很久。几个近期发现的超亮超新星确实表现出了这些性质，因此一些天文学家声称，我们已经看到了巨大的恒星死于微观粒子对的肆虐。另外一些天文学家并不认同这一观点，他们认为这些数据用其他的理论可以得到更好的解释。我们希望，未来通过对这些明亮且长时间持续的事件的观测，可以更好地了解恒星残骸云的成分和速度，从而判断这种物理图景是否正确。　　2）“假警报”超新星 　　另一种解释超亮超新星的理论是它们起源于质量稍小的恒星（约70~150个太阳质量）。天文学家认为，和更重的家族成员一样，它们也比较容易受类似的不稳定性的影响，但情况往往不会那么糟。当这类恒星开始收缩，点燃更多的核燃料后，它有可能会反弹、膨胀，并在核聚变失去控制之前使得核反应停止，从而存活下来。但在重新达到平衡状态的过程中，这颗恒星很可能会将很多外层物质吹散，产生一个“冒牌”超新星——一次类似暗弱超新星的爆发，而实际上只是恒星的一次濒死体验。　　在这个质量范围内的恒星有可能经历数次这样的劫难，每次丢失掉一些物质，直到最终耗尽了核燃料并像普通超新星一样爆炸。当这样一颗恒星真正死亡的时候，它会把残骸驱散到恒星周围的环境中，而这里已经充满了以前爆发留下来的外壳物质。超新星的残骸与这些外壳物质的剧烈碰撞将会产生极其明亮的恒星焰火，这可以解释一部分超亮超新星。　　自动化巡天在近几年记录到了这种大质量恒星晚年的暴躁活动。2009年，天文学家注意到一颗看起来很普通，只是有点暗的超新星。这颗被命名为 SN 2009ip的超新星在几周之后变暗，并很快被人们遗忘了。出乎所有人意料，一年之后在完全相同的位置又出现了一颗暗“超新星”。显然这颗恒星并没有死亡。2012年，天文学家观测到了它的第三次爆发，而仅一个月后又有一次很亮的爆发。　　一些科学家相信，倒数第二次爆发意味着这颗恒星真正死亡，而最后最亮的闪光则是超新星的残骸云撞入此前爆发抛出的物质而产生的。另一些科学家则认为这颗恒星依然健在，而且在未来还会用更多的爆发和我们玩捉迷藏。虽然尘埃落定还需要几年的时间，但正像我们设想的那样，我们现在已经看到了大质量恒星生命晚期这种剧烈的不稳定性。　　3）“磁性”超新星 　　最后一种解释超亮超新星的理论认为，造成它们超高亮度的主要原因并不是极大的质量，而是极快的转动。初始质量为10~60倍太阳质量的恒星最可能以超新星的形式结束生命，最终形成中子星。如果一颗这样的恒星原本就转得很快，那么其核心坍缩可以使中子星获得极高的转速，就像一个旋转的滑冰选手收回手臂来加速一样。原则上，一个中子星自转速度可以达到1秒钟1000圈，更快的话，中子星就会在离心力作用下解体了。大质量、快速自转的中子星储存的动能是巨大的，最高可达10贝特。　　这些旋转能量是如何为超亮超新星提供能量的呢？中子星拥有可以传递这种能量的强磁场。为了便于理解，想象在你手掌中旋转一个冰箱磁贴。当你这样做的时候，你扭曲了环绕它的磁场。尽管看不见摸不着，但你消耗的一小部分能量已经被用来在空间中产生电磁场的涟漪。我们认为，中子星周围会发生同样的过程，只是规模要大得多。我们能看到的最令人着迷的例子莫过于蟹状星云——一颗1054年就被中国天文学家记载的超新星的遗迹。我们今天所见的蟹状星云发出的光，能量来自一颗旋转的中子星。中子星激发了磁性等离子体的漩涡，这个扭曲的磁场在近1000年的时间里提取中子星的自转能量用来加热周围气体，为照亮美丽的星云提供能量。　　大约5年前，我和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的同事拉尔斯•比尔德斯滕（Lars Bildsten）提出，这个过程的增强版或许可以解释超亮超新星的高光度。这个中子星应该拥有比蟹状星云里的中子星强100~1000倍的磁场，而且以接近解体的极限速度旋转。对于这样一颗星，它的几乎全部旋转能量可以在一个月时间内耗尽，并使得它的超新星残骸云比蟹状星云亮100万倍。尽管这些数字听起来非常极端，但我们已经观测到了一些中子星具有与此相当的磁场（虽然还没有在超新星阶段观测到）。它们被称作磁星（magnetar），拥有宇宙中已知最强的磁场。因此超亮超新星有时可能标志着高速旋转磁星的诞生和快速的减速。

超新星数值模拟展现了一颗恒星爆炸的过程，这种爆炸由中心快速旋转的中子星释放出的巨大磁能驱动。　　奇异超新星　　与超亮超新星相反的是，天文学家最近也发现了超新星发挥失常的奇怪现象。大视场巡天已经发现了亮度仅有普通超新星1%的奇异超新星。科学家在争论这些暗弱爆发的原因，令人惊讶的是，有人怀疑某些奇异超新星是质量最大的恒星在生命结束时发出的闷响。　　失败的超新星现在我们还不清楚一颗恒星最多能有多大质量，但比较令人信服的区间大概是300~1000倍太阳质量（更大质量的恒星可能因为产生粒子对而爆炸）。你或许认为这些庞然大物会产生最壮观的超新星爆发。但实际上它们产生的往往都是哑弹。这样一颗恒星的引力太强，一旦变得不稳定，彻底坍缩将无法避免。坍缩在时空中撕开一个空洞，形成了一个比中子星更为致密的天体：黑洞。　　理论模型显示，这样的恒星的主体会被黑洞吞噬，从而突然从视野中消失。这种理论上可能存在的扫兴事件被称为失败超新星（unnovae）。自动巡天寻找这类超新星的方法与寻找正常超新星相反，不是搜寻天空中突然的亮光，而是寻找一瞬间消失的亮星。　　尽管它们没能制造出一次大爆炸，但这类形成黑洞的恒星可能至少会发出一声低鸣。这些恒星的核心被氢元素组成的稀薄气体包围。当恒星的主体被吸入黑洞的视界，这团气体可能被加热、吹散，发出微光。颇为讽刺的是，一颗非常大的恒星死亡时却只能产生一颗非常暗弱的超新星。　　碰撞的中子星还有一些低光度爆发可能来源于另一种极端情况：两颗中子星的碰撞。大质量恒星经常成对出现，互相绕转。两颗恒星会先后发生超新星爆发，如果二者没有在这些过程中分开，就会留下两个中子星构成的双星系统（或者一个中子星一个黑洞抑或两个黑洞）。随着时间推移，两个致密天体旋转半径越来越小，最终碰撞、合并成为一个更大的黑洞。最近，科学家发现了两个黑洞并合放出的引力波，从而证实这一过程的确存在。计算表明，当中子星合并时，极端的引力（大约是地球施加于人体引力的100亿倍）足以将恒星99%的物质都吸入新形成的黑洞里，而恒星表面1%的物质则被剥离下来，留在宇宙空间中。　　这些逃出黑洞的一小部分物质很可能是一些奇怪的东西，是游离的粒子组成的蒸汽海洋，大部分是中子，还有一些质子和电子。随着气体弥散开来，这些粒子开始结合为更重的原子核。质子因为带有正电荷所以会相互排斥，但中子是电中性的所以更容易和其他粒子结合。通过逐渐增加中子，原子核变得越来越重，产生一系列元素周期表下半区的元素，例如金、铂和汞，与各种放射性产物如铀、钍混合在一起。科学家认为，中子星碰撞是宇宙中为数不多的生成这些重元素的场所。　　丰富的放射性物质会使得这团残骸云像一颗超新星一样发光。但因为质量比较小（不到真正超新星的1%），我们预期它的亮度仅是普通超新星的1%，而且只能持续几天。最近我和我在加利福尼亚大学伯克利分校指导的研究生珍妮弗•巴恩斯（Jennifer Barnes）的理论工作表明，这种云团奇异的重金属组分会使得它们发出特定颜色的光，不是深红就是红外。这种现象被称作千倍新星（kilonova）。　　近期，天文学家可能第一次在中子星碰撞过程中看到了这种放射性红色“烟雾”。2013年6月，一个短暂的伽马射线暴引起了天文学家的注意，这可能是一次近邻中子星的并合现象。他们将哈勃空间望远镜指向了那个区域，并捕捉到了短暂的红外亮光。几周之后，亮光便消失了。取得的数据虽然很少，但与理论预言的千倍新星理应具备的特点一致。如果这次事件确实是千倍新星，那这就是我们第一次直接看到贵重金属的产生过程。我们想观测更多此类事件，更好地确认这些爆炸合成的重金属数量，从而判断它们是生成了宇宙中所有的金、铂和其他重元素，还是仅仅贡献了一部分。　　混沌的宇宙　　我们对动态宇宙的研究刚刚拉开序幕。在未来10年左右的时间内，将出现一批能够在几天内扫描大部分天区的新型自动望远镜，包括建于美国圣迭戈附近，即将投入使用的兹维基瞬变巡天装置；还有位于智利，正在建设中的大型综合巡天望远镜以及NASA计划发射到太空的宽视场红外巡天望远镜。这些项目将会让我们发现的超新星增加数百倍。同时，先进的超级计算机将会有能力构建这些事件的精细三维数值模拟，使我们可以看到这些爆炸恒星核心深处可能发生的事情。　　未来几年收集的数据将会检验我们用来解释恒星死亡的诸多理论。本文介绍的每种图景都在物理上说得通，但没有被证实。通过观测更多的异常超新星，我们希望能够确定这些可能的爆炸方式有哪些是真正存在的。其实最有可能的是，宇宙比我们想象的要奇怪得多，将会展现出我们现在做梦都想不到的更奇怪的现象。　　最终，我们将会更详细地了解构成了我们身体和周围世界的物质的故事。举例来说，你手指上的金戒指，其历史可以追溯到人类祖先之前。这些物质一开始很可能是在一颗大质量恒星坍缩并被压缩成致密的中子星时，诞生于它的铁核熔炉中。很久以后，也许要过10亿年，这颗中子星可能撞上了另一颗致密星，将放射性产物组成的云团抛洒到宇宙空间中。云团以每小时近1亿千米的速度在星系中穿行超过1000光年，并在途中混合了其他气体，直到最终融入了地球的地壳。过了一段时间，有人拾起遥远恒星的馈赠，将其打造成一枚金戒指并开始讲述他们自己的故事。　　本文译者 李文雄是清华大学物理系博士研究生。　　本文审校 王晓锋是清华大学物理系教授，主要研究领域是超新星爆发物理机制和前身星，以及时域天文学等。　　【“《环球科学》太空站”栏目由《科学美国人》中文版《环球科学》独家授权腾讯太空开设，为读者报道天文学、宇宙学、空间科学等领域的最新进展。未经《环球科学》授权，不得转载，摘编等。】

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