可能爆炸的五颗恒星

最近一次肉眼可见的超新星爆发是1987A，即图中部偏右那个形似钉子的天体。那场爆炸发生在银河系的一个卫星星系——大麦哲伦云中。1987年，它妆点着南半球的夜空。（图片来源：ESO）

在太阳的核心，每一秒钟都有大约6亿吨氢核转换成5亿9千6百万吨氦核。消失的那4百万吨质量直接转化成能量，最后以辐射的形式释放出来。每一颗天文学家眼中的“正常”恒星都在做着类似的事情，即通过一种或者多种核聚变反应产生能量，以对抗自身的重量。在晴朗的夜空，我们肉眼可见的每一颗恒星都是一个重力包裹下的热核反应堆。平均来讲，在银河系里，每一百年都有1-2颗恒星变得不稳定而爆炸。

这样的爆炸就是超新星爆发——其光度是太阳光度的100亿倍还多。当超新星处于亮度巅峰时，就是把其宿主星系内所有恒星的光加起来，也不敌它的光芒。在这场爆炸中，恒星可能被炸得粉身碎骨，也可能留下一个星核残渣——科学家所知道的宇宙中最极端的天体：还不如一个城市大的中子星和光都无法从其引力场中逃脱的黑洞。

据天文学家所知，银河系的超新星“生产线”似乎出现了延迟。银河系内最近一次爆发的、肉眼可见的超新星可能是英格兰首位皇家天文学家John Flamsteed在1680年8月编制星表时所看到的。当时，他在仙后座看到了一颗星，在他之后的天文学家们却再没有看到过那颗星。不过，那颗星紧邻正在膨胀的年轻超新星遗迹仙后座A（简称Cas A），所以很可疑。由于距离和星际尘埃的消光作用，Cas A看上去一点也不起眼，因为它的视星等从未超过3等。等到Flamsteed把它登记在册时，它的亮度已经接近肉眼可见度的极限了。

不仅如此，全体地球目击者也错过了更近一次超新星爆发。在熙熙攘攘的银河系中心附近的人马座内有一个超新星遗迹（G1.9+0.3）。射电和X射线跟踪观测表明，这颗超新星发出的光在不到150年的时间传到了地球。银河系已知的、距今最近的一次超新星爆发大约是在19世纪60年代，如果星际尘埃没有完全遮挡住它的光芒的话。

以上就是我们已知的过去400年的银河系超新星爆发史。在过去100年里，为了理解这些超新星的爆发机制及它们的前身星性质，天文学家搜集了不少银河系与河外星系里的超新星遗迹信息。在绝大多数情况下，如果恒星的初始质量超过6-9倍太阳质量，恒星便会爆炸。在经历了一连串核聚变反应并最终耗尽自身能源后，星核坍缩形成中子星或者黑洞，同时，裹在星核外面的物质壳层被高速抛出。仅有少数情况，在能源还未耗尽前，恒星会因为发生吸能（而不是产能）的核聚变反应而提早坍缩或者导致热核反应失控。

值得庆幸的是，在太阳系附近还没有注定要爆炸成为超新星的恒星，并且在不久以后给地球带来巨大的威胁。然而，许多大家耳熟能详的恒星都注定要发生爆炸。当那一刻来临，它们将为地球上的观众带来精彩的演出。不过哪些恒星会爆炸？它们又会在什么时候爆炸呢？

 

身边的炸弹

在离我们较近的超新星候选者名单中，有两颗恒星名列榜首。到目前为止，离我们最近的是视亮度为6等的双星系统——飞马座IK。系统的主星是一颗光谱型为A型、质量为1.7倍太阳质量的普通恒星，伴星却是一颗白矮星（白矮星是一种致密的恒星遗骸，质量约为1.2倍太阳质量，个头却和地球差不多）。白矮星代表着像太阳这样的小质量恒星的最终结局。它已经无法再通过稳定的核反应产生能量。尽管如此，当白矮星的质量在1.4倍太阳质量上下浮动——具体数值部分取决于其物质构成——一种失控的热核反应将突然引爆白矮星，使之爆炸成为Ia型超新星。

只在一种情况下，飞马座IK会发生类似的爆炸。随着年龄增长，主星最终会膨胀得如此大，以至于它的大气物质倾注到了伴星——白矮星身上。物质不断在白矮星表面聚积，慢慢把它推向爆炸的结局。根据加拿大萨斯客彻温省里贾纳大学的Martin Beech提出的演化模型，这场爆炸将在大约19亿年之后上演。不过，早在这场遥远的爆炸到来之前，地球居民就会面临一个非常严重的问题——太阳的光度随年龄稳步地增加。在飞马座IK酝酿爆炸所需的时间仅仅过去一半时，地球就已经不适宜居住了。

另一种完全不同的近邻超新星爆发来自于角宿一——室女座内视星等为1等的亮星，也是已知的最炽热恒星之一。它远在约260光年之外，发着蓝色的光芒。 它的光度是太阳光度的1万2千倍，质量是太阳质量的10倍。这使它成为距离我们最近的II型超新星候选者。不过，还有众多因素影响着角宿一的命运。首先，它的自转速度比太阳快了80倍；其次，它有一个伙伴——一颗质量为7倍太阳质量的蓝色恒星。这颗伴星与角宿一靠得非常近，其公转周期仅为4天——是地球公转速度的90倍。这两颗大质量恒星彼此间的引力拉扯把它们的绕转轨道扭曲成独特的椭圆形。

室女座的角宿一是一颗蓝巨星，很像是一个不错的超新星候选者。它距离我们260光年远，是离地球最近的II型超新星候选者。（图片来源：BILL AND SALLLY FLETCHER）

与太阳类似，这两位成员的核心仍在进行着氢聚变反应。不过，角宿一可能快要耗尽自己的能源，并开始向巨星的方向演化了。扭曲的形貌和高速的自转使它把其外壳层的一部分物质转送给伴星，另一部分物质抛洒到太空中去。“目前质量较大的那名成员将损失7-8倍太阳质量。这部分质量的50%-80%很可能被目前质量较小的那颗恒星接收。”德国波恩大学的Norbert Langer说。“因此，目前质量较小的那颗恒星可能会爆炸成为超新星。”

如果在损失了质量之后，角宿一的质量仍低于核坍缩的临界值，它将演化成一颗白矮星。几百万年后，当它的伴星走上同样的演化之路，这颗伴星会把自己曾经吸积的部分质量返还给角宿一。至于这样的质量交换会带来什么后果，我们还不清楚。也许，整个系统最后与飞马座IK的情况差不多：白矮星角宿一注定要爆炸成为II型超新星，而不是Ia型超新星。

快速旋转的另一个后果是，恒星的光度和中心温度降低。这意味着，恒星的质量看上去要比真实值小。对恒星而言，质量决定命运：质量越大，恒星越明亮，也越快消耗自身的能源。核聚变反应把氢转变成氦，由此产生的能量以伽马射线和中微子的形式释放出来。（中微子是一种运动速度接近光速，并且极少和物质发生相互作用的神秘粒子）。一旦核心的氢消耗殆尽，星核便收缩、升温，直至累积起来的氦“废料”被点燃，通过氦聚变反应（生成碳和氧）继续产生能量。对于类似太阳的恒星来说，这一废物循环过程到此为止，它们最终演化成碳和氧构成的白矮星。

质量更大的恒星则会继续这一循环，以延长其产能阶段。随着一种种能源储备的减少——最先是氢，接下来是氦、碳、氖、氧和硅，星核收缩，升温，点燃先前的核反应所产生的废料。但是，一旦硅聚变反应开始，就会生成由铁和镍构成的星核，恒星有生之日也就屈指可数了，核坍缩即将发生。

一些大质量恒星活不到星核坍缩的那一刻。如果恒星的初始质量处于一个狭窄的质量段（9-9.25太阳质量，如果它们的化学成分和太阳相似），它们在碳聚变反应结束之际便会爆炸。那时，星核内部混杂着氧、镁和氖。当星核的密度到达一临界值时，镁-氖星核在点燃氖聚变反应之前便开始捕捉电子。这一电子俘获过程削弱了星核的支撑力，使其在自身重量下坍缩，形成弱II型超新星。角宿一的疯狂自转会不会也使其处于这一有效质量段内而面临同样的结局呢？如果事实如此，它将超越其它理论预言的爆炸时间，更早成为一个超新星。即便如此，那也是几百万年以后发生的事了。

根据对近邻宇宙进行的大范围观测，科学家得到了不同种类的超新星爆发的频率（如图所示）。我们最常见到、也是最熟知的超新星当属II-P型超新星。拥有庞大大气层的大质量恒星发生坍缩，产生了这类爆炸。第二常见的超新星是Ia型超新星，即爆炸的白矮星。不过，天文学家已经开始认识到这一类超新星还可细分为许多子类型。类似船底座伊塔星、剑鱼座S星这样质量极大，并且非常明亮的蓝变星，有朝一日可能爆炸成为II-L型或者IIn型超新星。（图片来源：ASTRONOMY:RONE KELLY; ADAPTED FROM W. LI, ET AL(2011)）

 

虽然距离我们最近的超新星不会很快出现，但散落在银河系角落的其它恒星，有许多可能会在不远的将来（以天文学时间尺度来衡量）爆炸。其中几颗还是家喻户晓的“明星”呢。

 

参宿四

若要列举超新星前身星的典型代表，那非参宿四莫属了。这颗视亮度为0.6等的红超巨星位于猎户座右肩处。尽管它距离我们640光年远，却是除太阳之外（在我们看来）角直径最大的恒星。如果把这个庞然大物放到太阳的位置上，它将吞没木星轨道内的所有太阳系行星。令人惊异的是，即便如此，我们仍然低估了它的影响力。2009年，天文学家用欧洲南方天文台的甚大望远镜拍摄到一个巨大的气羽结构。这个结构体的展幅是参宿四直径的6倍，相当于从太阳到海王星的距离。他们还看到一个结构复杂，并且形状不规则的弧状尘埃云，一直延伸到16倍恒星直径远处。

上图展现了画家眼中的参宿四——排在首位的超新星候选者。观测表明，它的表面有一个巨大的气泡在沸腾着，还有一条长度横贯整个太阳系的巨大气羽。（图片来源：ESO / L. CALCADA）

参宿四诞生于8百万年前，其初始质量是太阳质量的20倍。演化至今，它已接近生命的尾声。与大多数处于此质量段的恒星一样，它命中注定要经历一整套核聚变反应，直到中心形成一个铁核。此后，它将坍缩成一个II-P型超新星（P指光变曲线有一个平台期），并遗留下一颗中子星。虽然天文学家无法窥视星核内部的情况，他们却能根据观测数据和演化模型了解到它所处的状态。这项研究认为，参宿四将在今后约2-10万年里爆发成为超新星。

在爆炸时，参宿四会朝四面八方放出大量中微子。中微子探测器，类似图中的日本超级神冈探测器， 将最先探测到恒星的爆炸。（图片来源：KAMIOKA OBSERVATORY / INSTITUTE FOR COSMIC RAY RESEARCH / UNIVERSITY OF TOKYO）

在地球居民眼中，这次爆炸将会是如此展开的。首先，探测中微子的设备将看到一个短暂的爆发，这是星核坍缩引起的。当超新星1987A爆发时，天文学家最先看到的就是这样的信号。超新星1987A是一个独特的II-P型超新星爆发，发生在我们附近一个名为大麦哲伦云的星系中；它是近几百年来距离我们最近的一次恒星爆炸。美国纽约市罗彻斯特理工学院的Michael Richmond说：“类似这样持续10秒钟的爆发，放出的中微子能流是太阳的大约1000多倍。”他提到，由于中微子可以在铅块中穿行1光年距离而不与任何原子发生碰撞，这意味着它们不会对地球及其居民构成威胁。

我们接下来看到的是紫外或者可能是弱X射线光闪，这是爆炸激波冲击前身星的可见表面所造成的。紧随其后的是迅速增强的可见光。爆炸发生后大约两周，参宿四可能会达到其亮度峰值——视星等超过-10.5等。它将成为天空中一个亮度超过上（下）弦月的灼灼光点，即使在白天也能看见。II-P型超新星是我们最常见到的一种超新星类型，其主要特征是爆发后的亮度衰减时间长达数周。这是因为向外扩散的激波在横贯前身星的氢壳层过程中，电离了气体，形成一个不透明的表面，使我们无法看到破碎恒星内部发出的光。激波扫过后，原子重新复合，形成对可见光透明的中性氢，这时天文学家才能看见深处的壳层。
 
这段亮度平台期大约持续100天。在此之后，参宿四将迅速变暗。尽管如此，科学家预期，在爆炸过去后一年，典型的II-P型超新星的亮度仍然超过-5等，在白天依然可见。两年之后，参宿四超新星的光芒仍然盖过北天最亮的天狼星。

即便到了那时，演出仍未结束。天文学家将首次亲眼目睹一个年轻的超新星遗迹和中子星的诞生。由美国圣母大学的Michelle Dolan和Grant Mathews主导的研究显示，在爆炸过后约6百万年，一个减弱了的爆炸激波将会抵达太阳系。根据他们的计算，太阳风（太阳发出的离子气体流）将在2.5倍日地距离处牵制住激波，并阻止它继续深入到太阳系中心。经过一千多年时间，这个激波才算是完全离开太阳系。

不仅如此，参宿四或许并非猎户座里唯一一个超新星前身星。当发现超新星1987A的前身星是蓝巨星、而不是红巨星时，天文学家为之一惊。那是一场不同寻常的爆炸，科学家推断其前身星要么是自转速度很快、要么是主星与伴星发生了并合。各种研究表明，在适当条件下，蓝巨星可以在还未演化成红巨星之前就发生爆炸。这说明，在猎户座中处于与参宿四相对位置的参宿七（位于猎户座左膝处）可能将以II-P型超新星爆发的方式结束自己的生命。若果真如此，它达到最亮时的视星等将会超过-9等。与参宿四相比，它离我们更远些（在850光年外），因此，它看上去会比参宿四超新星暗一点点。

参宿四位于壮观的猎户座的右肩，它是离我们最近，并且是下一个超新星爆发的候选者之一。位于猎户座左膝处的参宿七有朝一日可能也会爆炸。（图片来源：ROGELIO BERNAL ANDREO）

 

船帆座的明星

沃尔夫-拉叶星的初始质量高于25倍太阳质量，因此，它们消耗燃料的速度比参宿四和参宿七这样的恒星快得多。由于星体非常炽热，猛烈的星风已把它们庞大无比的氢大气层剥蚀殆尽。这部分大气质量占其初始质量的很大一部分。大气层下面的大部分氦壳层也被星风吹走，裸露出更晚的核聚变反应产生的副产品。根据氮、碳和氧的组分，沃尔夫-拉叶星大体被划分为3个子类：WN型、WC型和WO型。此类恒星发出的辐射集中在紫外波段，所以，在光学波段看，它们并不明亮，虽然它们的温度很高。

船帆座内的2等星γ Vel是一个双星系统，其中一个成员是离地球最近的沃尔夫-拉叶星。据估算，这个双星系统距离我们1100光年远，系统的主星是一颗30倍太阳质量、极其炽热的巨星。WC型伴星的质量目前可能约为9倍太阳质量，但其初始质量是25、甚至有可能是40倍太阳质量。一些天文学家认为，这个系统已经存在500多万年了，处于这一质量段的恒星应该已经步入暮年。最终，这颗WC型伴星将形成铁核，坍缩并爆炸。不过，我们完全不清楚那场爆炸将会如何进行，以及爆炸过后是否会留下一颗中子星或者黑洞。

在船帆座的γ Vel双星系统内，有一颗沃尔夫-拉叶星可能爆炸成为超新星。这颗非常炽热的大质量恒星位于船帆座的南部。（图片来源：ALAN DYER）

想要威力强劲的爆炸，一个快速旋转的星核必不可少。这会让WC型星爆炸成为能量巨大的Ic型超新星，其视亮度最高可达-10等，远超过离我们更近的参宿四爆炸。此类爆炸还伴随着长伽马射线暴——星核坍缩形成的黑洞所产生的、强烈释放出最高能量的快速光闪。至于γ Vel的命运如何，我们就无法确知了，因为沃尔夫-拉叶星并不常见，而且天文学家对Ic型超新星的前身星也缺乏真正的了解。

 

从新星到超新星

爆炸恒星的最后一名候选者是蛇夫座RS。 它属于另一类双星系统。这个密近双星系统中有一个成员是白矮星。这颗白矮星反复以新星的形式爆发。实际上，新星可被视为超新星的小表亲。当普通恒星的氢倾注到白矮星身上，在其表层逐渐堆积，并最终达到爆发点，失控的热核反应会引起爆炸。在爆炸过程中，只有堆积物被喷发出来，白矮星自身并不受什么影响，而且等着同一过程再次上演。经典新星的爆发时间间隔是1万年。但蛇夫座RS是一种更罕见的系统——共生再发新星。系统的两名成员一个是红巨星，一个是白矮星。白矮星积累气体的速度非常快，因此每几十年它就爆炸一次。

画家眼中的蛇夫座RS双星系统，其中的白矮星从其伴星——一颗红巨星那里吸积了足够多的物质，进而爆发成一颗新星（同样的爆炸曾在2006年发生过一次）。最终，白矮星将累积足够多的质量，发生超新星爆发。（图片来源：CASEY REED）

直到最近，天文学家才想到这些爆炸会带走所有的堆积物，使白矮星的质量无法增长到1.4倍太阳质量——Ia型超新星的引爆点。不过，这一想法目前还未得到证实。

蛇夫座RS距离我们5200光年，每几十年发生一次“新星”爆发，最近一次爆发发生在2006年。对那次爆发的观测表明，白矮星的质量已经接近质量极限了。如果它再度爆炸，它的最亮视星等可以超过-8等，与把新月过后4天的月亮的亮度集中在一个点上的效果差不多。

有关蛇夫座RS的一个无法直接观测证实，但却十分重要的问题是白矮星的物质构成是怎样的。它到底是碳-氧白矮星，还是氧-氖-镁白矮星？如果是后者，当它接近质量极限时，电子俘获过程将使星核坍缩成一颗中子星，同时产生一个微弱的超新星爆发。

虽然超新星爆发是一个很猛烈的爆炸事件，它们却把死寂的宇宙转变成为能够孕育生命的宇宙。它们把大质量恒星制作的和在爆炸过程中熔炼的重元素散布到太空中去。不管下一个肉眼可见的超新星是蛇夫座RS、还是船帆座γ Vel、还是参宿四、甚至是其它恒星，它已经在到来的路上了。它将成为天文爱好者们眼中的宇宙奇观，更会为天文学家带来丰富的科学信息。