奇異超新星揭示恆星新秘密

大約每秒鐘，在我們可觀測的宇宙中的某個地方，另一顆太陽在一場恆星災難中被摧毀——當一顆恆星脈動、碰撞、坍縮成黑洞或作為超新星爆炸時。宇宙的這個動態方面，在夜空看似平靜的景象中被忽略了，但最近已成為天文研究的前沿。近一個世紀以來，科學家們一直試圖追溯數十億年宇宙演化過程中發生的事情，但直到最近，我們才開始解析以天和小時為時間尺度的天體事件，從而目睹恆星動盪的生與死。

儘管過去我們缺乏詳細研究這些現象的工具，但宇宙瞬變的證據已經存在了數千年，至少可以追溯到公元1006年中國對一顆“客星”的觀測，這顆星在肉眼可見幾周後才消失。偉大的天文學家第谷·布拉赫在1572年記錄了類似的事件，約翰內斯·開普勒大約在30年後也記錄了類似的事件。我們現在知道這些現象是恆星的超新星爆炸。超新星在其峰值時可以比十億個太陽更亮，但由於大多數超新星發生在非常遙遠的地方，它們在我們看來只是暗淡的光點，很容易迷失在廣闊的天空中。

現代技術正在徹底改變動態宇宙的研究。望遠鏡已經變得自動化，並配備了高解析度數字相機，這些相機將資料饋送到計算機化的影像處理和模式識別軟體。這些機器定期監測大片天空，對夜間發生的任何異常情況保持數字化的關注。在過去的十年左右，這種新發現的技術能力使天文學家每年能夠發現數千個新的恆星爆炸——我們每週發現的新超新星數量與整個20世紀所見的數量一樣多。

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我們不僅收集了更多的超新星，而且還發現了奇異的新物種。一些恆星爆炸異常明亮，比普通超新星亮100倍；另一些則暗淡100倍。有些是深紅色的；另一些是紫外線的。有些能明亮地閃耀數年；另一些則在幾天內消失。恆星的死亡結果比我們意識到的要多樣得多。

天文學家仍在試圖弄清楚是什麼驅動了這些奇怪的恆星爆炸。顯然，它們正在告訴我們一些關於恆星生與死的重要資訊，以及關於在溫度、密度和引力最極端條件下的物理學。透過研究各種各樣的超新星，我們希望最終了解是什麼導致恆星坍塌並轉變為死亡的恆星遺骸，如黑洞。

超新星也教會了我們一些關於我們自身起源的知識。大爆炸之後，宇宙主要包含最輕的原子：氫和氦。根據理論，我們遇到的一切其他物質——我們骨骼中的鈣，血液中的鐵——都是在爆炸的恆星中融合並噴射出來的。科學家們過去認為，普通的超新星創造了所有最重的元素，但對如此多不尋常的爆炸的發現現在表明，元素週期表上不同的方格可能具有不同的起源點。透過觀察大量不同的超新星，我們越來越接近於確定各種恆星爆炸如何促成了構成我們星球及其所有生命的元素混合物。

恆星災難

為了理解我們正在發現的一些超新星有多麼奇怪，讓我們首先考慮典型的超新星，它本身就是一個非常非凡的現象。恆星是一種穩定的核反應堆：一個巨大的等離子體球，透過引力結合在一起，並由其壓縮核心中的核聚變提供動力。來自聚變的熱量提供了一種壓力，可以抵消引力的向內拉力。超新星爆炸代表了這種力平衡中的某種災難性不穩定——引力對核燃燒的失控勝利，反之亦然。

最常見的超新星型別發生在質量為太陽10倍或更多倍的中等大小的恆星中。這些恆星可以存在數百萬年，不斷地將氫聚變成越來越重的元素。一旦它們將內部燃燒成鐵（本質上是核灰），聚變就無法繼續。沒有這種向外的壓力，恆星最內部的核心在引力的作用下坍塌，體積壓縮一百萬倍，轉變成一種超高密度的核塊，稱為中子星，它將比太陽質量更大的質量壓縮到一個不超過幾英里寬的區域。自由落體釋放出的巨大能量將恆星的其餘部分炸開。

為了瞭解典型超新星爆炸所涉及的能量，想象一下我們的太陽在幾秒鐘內就燒掉了其全部的氫供應——足以維持100多億年的燃料。如此巨大的能量是用它自己的物理單位來量化的：1貝特（以諾貝爾獎獲得者漢斯·貝特命名）。當超新星爆炸時，恆星內部溫度升至華氏50億度以上，驅動超音速衝擊波，在其身後留下矽、鈣、鐵和放射性同位素鎳、鈷和鈦等新鮮融合的重元素的殘骸。在幾分鐘內，恆星炸裂成一團灰燼和放射性碎片雲，以每小時2000萬英里或光速的百分之幾的速度噴射出去。

幸運的是，我們自己的太陽太小，永遠不會變成超新星，但如果它真的變成了超新星，地球上的第一個跡象將是一陣短暫的強烈X射線爆發，這將殺死地球上的所有生命。幾分鐘之內，太陽碎片雲的體積將增加一倍，並變得比太陽亮約1000倍。幾個小時後，雲層將吞沒地球，一天後，它將吞噬木星和土星。幾周後，太陽灰燼將遍佈整個太陽系。到那時，碎片雲最終將變得半透明，被壓抑的光將傾瀉而出，達到約十億太陽光度的峰值亮度，然後逐漸消失。

天文學家幾乎從未捕捉到超新星爆炸本身短暫的X射線爆發，而且我們也很少能挖掘出爆炸前原始恆星的存檔照片。我們通常看到的只是餘波：那團巨大的、膨脹的、放射性的碎片雲，它在數週或更長時間內發出可見光。透過檢查灰燼，我們試圖拼湊出一個關於什麼型別的恆星被摧毀以及原因的故事。

異常明亮

在最近發現的奇異超新星動物園中，也許最引人注目的是超高能爆炸——我稱之為超新星——它們比普通超新星亮100倍以上。它們是迄今為止發現的最亮、最遙遠的超新星，幾乎在整個可觀測宇宙中都可見。這種事件極其罕見；大約每1000顆普通超新星中才會發生一次。天文學家沒有確鑿的證據來解釋為什麼這些爆炸如此明亮，但有三種主要的理論。其中一種理論可能解釋了我們看到的大部分或全部超新星，但更有可能的是，這三種情景都會以一定的頻率發生。

粒子對超新星。 自然而然地，許多人試圖將超新星與質量極大的恆星聯絡起來。理論表明，非常大的恆星實際上是相當脆弱的角色，容易受到各種不穩定性的影響。特別是，質量在太陽質量150到250倍之間的恆星，其核心可能會變得非常熱，以至於產生大量的物質-反物質粒子對（即電子和正電子）。產生這些粒子會消耗能量，這會消耗恆星的向外壓力，並導致其核心（仍然裝滿可燃核燃料）坍塌。結果將是災難性的。核心的壓縮將加速核聚變失控，幾乎燒燬所有可見的東西。突然釋放的能量——高達100貝特——將逆轉坍塌並完全炸燬恆星。什麼都不會留下。

這些最巨大的核爆炸將產生比普通超新星放射性強1000倍的碎片雲。由於雲層也被認為是極其巨大和不透明的，光線將需要一年或更長時間才能擴散出來。因此，我們預計這些爆炸的餘波將非常明亮且持久。最近發現的一些超新星具有這些特性，這導致一些天文學家聲稱我們已經目睹了一顆巨星被微觀粒子對的侵擾殺死。其他人則不同意，認為用不同的理論可以更好地解釋資料。未來對如此明亮和持久事件的觀測，有望更好地揭示恆星碎片雲的成分和速度，並告訴我們這種情況是否真的會發生。

虛驚一場的超新星。 解釋超新星的另一種想法是，它們起源於質量略低的恆星（大約太陽質量的70到150倍）。人們認為這些恆星與它們質量更大的同類一樣容易受到類似的不穩定性的影響，但條件通常沒有那麼嚴重；在恆星開始坍塌並點燃過量燃燒後，它可能會反彈、重新膨脹並阻止核反應失控，從而恢復到另一天的生存狀態。然而，在重新獲得平衡的過程中，恆星可能會吹掉很大一部分外層，從而產生超新星“冒名頂替者”——一種類似於暗淡超新星的爆發，但實際上只是一種瀕死體驗。

質量在這個範圍內的恆星可能會經歷幾次這樣的打嗝，每次都會損失更多的物質，直到它們最終耗盡核燃料並像普通的超新星一樣爆炸。當這樣一顆恆星最終死亡時，它會將碎片噴射到一個被先前爆發的物質外殼汙染的環境中。超新星碎片雲與這些外殼的猛烈碰撞應該會產生極其明亮的焰火，這可以解釋一些超新星。

自動化巡天最近記錄了一顆大質量恆星生命中狂躁的最後幾年。2009年，天文學家注意到一顆看似相當普通的超新星，如果說暗淡的話。它被命名為SN2009ip，在幾周內就消失了，並且基本上被遺忘了。一年後，令所有人驚訝的是，在完全相同的位置又觀測到一顆暗淡的“超新星”。顯然，這顆恆星還沒有死亡。2012年，天文學家看到了第三次爆發，然後，一個月後，又看到了非常明亮的一次爆發。

一些科學家認為，倒數第二次爆發是恆星真正的死亡，而最後一次、最明亮的爆發是超新星碎片雲撞擊先前瀕死喘息中物質的結果。其他人則認為，這顆恆星仍然活著，並將繼續以進一步的爆發來娛樂我們。灰塵需要幾年時間才能消散，但就目前而言，我們已經看到了我們認為構成一些大質量恆星生命終結的那種劇烈的不穩定性。

磁超新星。 最後，關於超新星的另一種思路認為，它們過度的亮度與極端質量的關係不大，而與極端旋轉的關係更大。質量超過太陽質量10倍的恆星最有可能產生普通超新星，這些超新星在死亡時形成中子星。如果這樣一顆恆星最初旋轉速度很快，那麼坍塌可能會使中子星旋轉到極快的速度，就像一個旋轉的花樣滑冰運動員將手臂收進來加速一樣。原則上，中子星的旋轉速度可以達到每秒1000轉——快得多，恆星就會被離心力撕裂。儲存在這樣一個巨大的旋轉陀螺中的動能是巨大的——高達10貝特。

如何利用這種自旋能量來驅動超新星？中子星擁有巨大的磁場，可以傳輸能量。為了理解這一點，想象一下在你的手掌中旋轉一塊冰箱磁鐵。當你這樣做時，你會扭曲它周圍的磁場。儘管你看不見也感覺不到它，但你消耗掉的一些能量會以電磁波紋的形式被帶到太空中。我們認為同樣的過程發生在更大規模的中子星周圍。最引人入勝的視覺例子是蟹狀星雲，這是中國天文學家在公元1054年報告的超新星遺蹟。今天，我們從星雲中看到的光是由一顆旋轉的中子星提供的動力，這顆中子星產生了一個磁化等離子體的漩渦。在1000年的時間裡，扭曲的磁場已經提取了中子星的自旋能量並加熱了周圍的氣體，為美麗的景象提供了動力。

大約五年前，我在加州大學聖巴巴拉分校的同事拉斯·比爾德斯滕和我提出，這個過程的增強版可能解釋了超新星的高亮度。中子星需要擁有比蟹狀星雲中的磁場強100到1000倍的磁場，並且以接近破裂速度極限的速度旋轉。對於這樣一顆恆星來說，幾乎所有的自旋能量都可能在一個月內耗盡，導致超新星碎片雲的亮度比蟹狀星雲亮一百萬倍。儘管這些數字聽起來很極端，但我們已經觀測到一些具有可比磁場的中子星（儘管還沒有超新星階段的中子星）。它們被稱為磁星，並且擁有宇宙中已知的最強磁場。因此，超新星有時可能預示著快速旋轉磁星的誕生和迅速減速。

出乎意料地暗淡

在超新星光譜的另一端，天文學家最近還發現了效能不佳的超新星的奇怪現象。廣域巡天發現了奇怪的超新星，它們比普通事件暗淡100倍。科學家們正在爭論是什麼導致了這些微弱的爆發，但懷疑其中一些是曾經存在過的最大質量恆星的令人驚訝的微弱臨終喘息。

失敗的超新星。 目前尚不清楚恆星的質量能有多大，但可以想象，有些恆星可能達到太陽質量的300到1000倍（甚至比我們認為可能因粒子對而爆炸的超大質量恆星還要大）。人們可能期望這些龐然大物產生有史以來最壯觀的超新星爆炸。實際上，它們可能是啞彈。這樣一顆恆星的引力是如此之強，以至於一旦它變得不穩定，完全坍塌就不可避免了。內陷最終應該會在時空中撕開一個洞，形成比中子星更緻密的東西：黑洞。

理論模型表明，恆星的大部分將被黑洞吞噬，並突然從視野中消失。這種假設的非事件被稱為無新星。模型表明，不僅質量極大的恆星會成為超新星失敗者——一些中等大小的恆星也會爆炸失敗並萎縮成黑洞。自動化巡天正在以一種倒退的方式尋找無新星：不是在天空中尋找突然的光，而是尋找一顆瞬間熄滅的明亮恆星。

中子星碰撞。 另一種光度不足的爆發可能來自一種非常不同的極端事件：兩顆中子星的碰撞。大質量恆星經常成對誕生並相互繞軌道執行。這些恆星將一個接一個地變成超新星，如果這對恆星沒有被甩開，那麼剩下的就是一個由兩顆中子星組成的雙星系統（或一顆中子星和一個黑洞或兩個黑洞）。隨著時間的推移，這兩個緻密天體應該螺旋式地越來越近，最終碰撞併合併成一個更大的黑洞。最近對兩個黑洞合併產生的引力波的發現證實了這一過程。當兩顆中子星融合時，計算表明，極端的引力（大約是地球引力作用在我們身體上的100億倍）足夠強大，可以將大約1%的恆星表皮剝離並甩到太空中（剩下的99%進入黑洞）。

這種逃離黑洞的一小部分物質很可能是奇異的東西——一種氣化的離解粒子海洋，主要是中子，以及一些質子和電子。隨著氣體減壓，粒子應該開始結合在一起形成更重的原子核。質子會因為它們的正電荷而相互排斥，但中子沒有電荷，並且更容易附著到其他粒子上。透過逐漸新增中子，原子核應該變得越來越重，從而產生元素週期表下半部分的一系列元素，如金、鉑和汞，混合到各種放射性廢物的池中，包括鈾和釷。中子星碰撞是科學家們認為可以在宇宙中形成這些重元素的少數幾個地方之一。

放射性物質的豐富應該會導致碎片雲像超新星一樣發光。但是由於所涉及的質量相對較小（不到超新星中發現的質量的1%），我們預計光線會比普通超新星暗淡約100倍，並且只會持續幾天。我最近與我在加州大學伯克利分校的研究生詹妮弗·巴恩斯所做的理論工作表明，這種雲中重金屬的特殊成分應該使光芒呈現出獨特的顏色，要麼是深紅色，要麼是紅外色調。這種現象被稱為千新星。

最近，天文學家可能首次看到了來自中子星碰撞的這種放射性紅色“煙霧”。2013年6月，一陣短暫的伽馬射線爆發提醒天文學家可能發生附近的中子星合併。他們將哈勃太空望遠鏡指向該地點，並捕捉到短暫的紅外輝光。幾周後它就消失了。資料稀少，但與千新星外觀的理論預測相符。如果這種識別是正確的，這將是我們第一次直接目睹重金屬貴金屬的產生。我們希望觀察到更多這樣的事件，以更好地確定這些爆炸合成的金屬量，以及它們是否可以解釋宇宙中全部或部分金、鉑和其他重元素的丰度。

混沌宇宙

我們對動態宇宙的研究才剛剛開始。在十年左右的時間裡，新的自動化望遠鏡，如聖地亞哥附近即將上線的茲威基瞬變設施、智利正在建造的大型綜合巡天望遠鏡和NASA計劃發射到太空的廣域紅外巡天望遠鏡，將能夠每隔幾個晚上掃描大部分天空，發現的超新星數量將是我們目前發現的數百倍。與此同時，現代超級計算機正變得能夠對這些事件進行詳細的三維模擬，使我們能夠視覺化可能發生在爆炸恆星核心深處的事情。

未來幾年收集的資料將挑戰我們關於多種型別恆星死亡的理論。這裡描述的每種情景在物理上都是合理的，但尚未得到證實。透過對不尋常超新星的更多觀測，我們希望確定這些爆炸的可能性中哪些實際上在自然界中實現了。最有可能的是，宇宙將比我們想象的更奇怪，揭示出比我們迄今為止夢想的更奇異的現象。

最終，我們也將能夠講述一個更豐富的關於構成我們身體和周圍世界的物質的故事。例如，你手指上的金戒指的歷史可以追溯到你的祖先之前。這種物質可能最初漂浮在一顆大質量恆星的鍊鐵爐中，這顆恆星衰落、坍塌並壓縮成一顆緻密的中子星。很久以後，也許在十億年後，中子星可能會撞到另一顆緻密星，將一團放射性廢物雲噴射到太空中。那團以每小時6000萬英里的速度飛馳的雲，將穿越銀河系1000多光年，沿途與其他氣體混合，直到最終沉降到地球的地殼中。過了一段時間，人們挖出了那些恆星瓦礫，塑造成戒指，並開始講述他們自己的故事。