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原来宇宙中的恒星是这样爆炸的

2018-11-22  lindan9997

宇宙中有无数星系,每个星系中又有无数恒星,这些恒星也会像人一样有生老病死的过程吗?清华大学物理系教授王晓锋说,恒星演化到晚期会发生剧烈的爆炸,每次爆炸就好像一次绚烂烟花,你穿戴的金银首饰,你计算机里用到的芯片,都来自于恒星爆炸释放到宇宙空间中的元素。王晓锋将给大家讲讲超新星爆发的故事。本文根据有意思博物馆演讲剧场——我是科学家「宇宙深处,心之所向」现场演讲整理。

我叫王晓锋,来自清华大学物理系。

我成为一名大学教师,多少有一些偶然的因素。

上大学的时候我报考了北京师范大学,但当时我并不想成为一名教师,原因是我觉得教师的责任重大——要传道、授业、解惑,而当时我觉得自己没有这个能力,或者缺乏一定的信心。另一方面,我又不想做纯粹物理的专业,我高中的时候物理学得不太好,所以在选择专业的时候费了一番脑筋。当时我地理学得比较好,又想成为传说中上知天文下知地理的大神,于是我就报了天文专业。

所以你看,人生的际遇是非常奇妙的,当时我不想成为教师,最后成了大学老师;当时我不想学物理,最后物理终身伴随着我。

演讲嘉宾王晓锋:《目睹一场宇宙的烟花》

大家一定很关心我每天在干什么。作为一位大学老师,除了正常的教课以外,我和我的学生基本上每天都会检查星图,也就是我们用望远镜在比较偏僻的山上开展天文观测。我们会看它跟之前的星图比较有些什么异常,这其中我们关心的是恒星的爆炸的现象,也就是超新星。

超新星是恒星演化到晚期产生的非常剧烈的爆炸现象。说得文艺一点,它就是一场宇宙的烟花;说得恐怖一点,它就相当于在宇宙里炸了一个巨大的核弹。如果这个超新星爆炸离我们很近,那人类就惨了。所以我们又期待看到美丽的风景,又不希望这个东西离我们太近。

宇宙中有各种各样的恒星,有小质量的恒星,有大质量的恒星。这些恒星最终都会面临死亡,就像人的生老病死一样。恒星内部会不断发生核聚变反应,宇宙中最丰富的元素是氢和氦,氢通过核聚变反应变成氦,氦再燃烧变成碳,碳再燃烧会变成氧,氧燃烧会变成硫或者硅这些更重的元素,硅燃烧最后变成铁,形成一个大铁疙瘩,也就是恒星的铁核。

如果大质量恒星内部的铁疙瘩超过太阳质量的1.4倍,这颗恒星就不稳定而发生塌缩,塌缩会引起连锁反应,导致整个大质量恒星的外壳层往里塌缩,产生核心塌缩的超新星爆炸。这是一类比较常见的恒星死亡时候产生的超新星爆炸,叫做核塌缩超新星爆炸。

还有一类超新星爆炸是由中小质量恒星演化形成的,这一类恒星叫白矮星。如果白矮星有伴星,可以吸积伴星的物质将质量增加到1.4倍太阳质量,这时也会产生非常剧烈的热核爆炸,这一类超新星叫热核超新星。

大家可能见过这样一张非常漂亮的图,我们称它为蟹状星云。蟹状星云是产生于一个颗概十几倍太阳质量的超巨星的核塌缩产生的超新星。在距今964年前的宋朝,中国古代的天文学家对这个超新星有非常详细的记载,后面的这一排文字就出自宋史:至和元年(也就是宋仁宗),五月己丑出天关,东南可数寸,然后岁余稍没。说的就是这颗星在天上天关星的位置,亮度是23天白天可见。

那时候超新星爆炸非常亮,也非常壮观,整个爆炸事件持续了600多天,这个亮度是肉眼可见。这一次的事件产生的超新星就形成了我们现在看到的蟹状星云,而且在星云的正中心产生了一个非常致密的、高速自转的中子星,这也符合我们关于恒星演化的理论。这次中国古代天文学家记载的详细的信息,有助于我们理解大质量恒星的演化。

公元1054年,这个超新星爆炸的时候,外壳层的物质都喷向了星际的空间,然后超新星的遗骸慢慢演化就形成了我们今天看到的蟹状星云,而这个星云还在不断地长大,中心就形成了一个非常致密的中子星。

实际上在超新星SN1054爆炸的40多年前,也是在宋朝,产生了另外一个,也是有史以来最亮的一个超新星爆炸的事件——公元1006年的超新星爆炸。这个超新星大概产生于1006年的5月1号,当时司天监(那时的天文官叫司天监)的总头周克明看到了,老百姓也都看到了,但是周克明不敢马上去汇报给皇帝宋真宗。因为他当时用占卜占了一下,觉得这个星可能是一个很凶险的星,如果皇帝知道了,他可能脑袋不保。等了一个月,周克明又重新算了一卦说这个星是吉星,才就跟皇帝报告说:“景德三年,四月戊寅,初见大星,色黄,渐渐光明”。也就是5月1号,天上看见一个非常大的星,颜色是比较黄——那时候黄色是比较吉祥的颜色,并不是代表超新星真的是黄色,慢慢越来越亮(这个星爆炸的时候最亮的星可以达到整个满月的四分之一的亮度),在晚上的时候可以拿着书在星光下看书。

可以想象那个时候超新星爆炸是多么壮观。当时是景德三年,所以这个星也叫做景星,“景星高照”就是这么来的。

超新星SN1006来自于一颗致密的白矮星,这颗白矮星有一个伴星,它不停的吸积伴星的物质直到质量增长到太阳质量的1.4倍,于是它的中心产生了核聚变的反应、爆炸,最后把整个恒星全部炸掉。

超新星SN1006跟刚才的超新星SN1054是不一样的,原因就是SN1054爆炸过后会在中心形成一个非常致密的中子星或者是黑洞,但是SN1006是所有的星体全部炸掉——它把恒星所有的能量、物质全部都抛到星际空间中。

我非常羡慕宋朝的人,可以亲眼目睹两颗非常明亮的超新星接连的爆炸。在几百年之后,到了1572年,银河系又产生了一个第谷超新星;然后紧接着大概32年以后,又产生了开普勒超新星。这两个超新星都是以西方天文学家的名字来命名的,但实际上中国天文学家记载的超新星爆炸要比西方的最早记录还要早三天,所以我们中国古代的天文学家在天文学上,尤其关于客星(中国古代管超新星爆炸叫客星,即天上突然多了一个星)的记载是领先世界的。

在1604年产生了超新星爆炸以后,一直到现在我们还没有看到非常明显的银河系超新星爆炸事件,所以我们非常期待银河系下一颗超新星爆炸。

最有可能成为银河系下一颗超新星爆炸的星是哪一颗?经过天文学家的调查,发现它在船帆座。船帆座在是南半球,而我们在北半球,如果它真炸了我们还真是看不到,除非把望远镜放到南半球,比如说智利。

这颗编号SBW2007的恒星与大麦哲伦星云1987年产生的一个超新星,SN1987A长得特别像,中心是一个非常致密的蓝超巨星,天文学家认为它有可能成为下一颗。

我作为一名超新星的研究人员,非常希望在有生之年能够亲眼看到一次超新星爆炸的事。虽然超新星爆炸产生的高能射线对人体有害,但是SBW2007离我们很远,有2.5万光年,大家大可放心,它的爆发对我们基本上没有任何影响。我现在正在加紧布置望远镜到智利,希望到时能够逮到这个超新星爆炸的信息。

银河系产生超新星爆炸的频率并不是很高,大概几十年到几百年才会有一颗。但实际上在宇宙诞生之初大概几千万年到几亿年的时候,宇宙中形成的大质量恒星特别多,而且质量比现在的恒星要大很多倍,所以那时产生超新星爆炸的速率是非常高的。据统计,整个可观测的宇宙每秒钟产生30次超新星爆炸。

宇宙极早期的超新星爆炸是非常非常频繁的。原初的星云塌缩凝聚形成大质量的恒星。这些大质量恒星很快——几千年几万年,就形成了超新星爆炸。如果站在宇宙边缘去看,就仿佛看一场盛大的宇宙烟花。

我们现在研究宇宙极早期的超新星不能靠眼睛,因为人眼能看到的最大最亮的星大概是六等星,我们必须要借助于比较大的望远镜。

我回国以后组织了一些天文观测的项目,比如利用国家天文台60厘米施密特望远镜、紫金山天文台1米施密特望远镜,在整个天空搜索超新星的爆炸事件。也组建了超新星搜索小分队。通过几年的努力,我们共发现了接近400颗超新星的爆炸事件,其中包括自宋代以来中国人发现的最近的一颗超新星,梅西耶M99星系里面的一颗超新星。

我们还发现了一个特别奇怪的“僵尸超新星”。僵尸超新星是指几十年前就已经炸过一次,最近两年又炸了的,也就是说死而复生又开始活动了的。

我们是和美国的一些项目共同独立发现的僵尸超新星,其中TNTS就是代表中国的项目,上面和下面都是美国的项目,可以看到我们发现时间还是比较早的。

这个超新星的奇特之处在哪呢?图中下面蓝色很短的线是一个正常的超新星爆炸的光度演化,横轴代表时间,也就是说一般持续几个月就消失了。但是这颗超新星持续了几百天,而且它的能量要比普通的超新星要高几十倍,还产生了多次的能量爆炸的现象。

这是2014年的发现。最有趣的是我们检查历史星图,发现它在1954年就已经爆过一次了,所以我们称它为僵尸超新星,现在已有的理论都不能解释它的特殊能量产生的情形。这次爆炸以后这个星还活着吗?我们利用哈勃空间望远镜在爆炸过后又开展了一千多天详细的观测,发现它应该是彻底死。

研究超新星有什么用?刚才我们讲,宋朝1006年那一次超新星是来自于一颗白矮星吸积伴星产生的爆炸。白矮星都是在1.4倍太阳质量左右的时候炸掉,可以想象,它们爆炸所产生的能量比较均匀,所以可以探测宇宙演化命运的标准烛光。

在上个世纪末,国际上有两个团组寻找了宇宙早期的这一类的超新星爆炸的事件,即热核超新星爆炸。通过对比我们近邻宇宙的超新星爆炸,发现远处的超新星的亮度要比近处的暗30%。

为什么会暗呢?

一个原因可能是我们宇宙膨胀的速度比我们想象中的要快,而超新星处于更远的距离,所以给人“它好像变得更暗了”的错觉,从而提出了所谓宇宙存在暗能量的这样一个概念。暗能量怎么来的?就是通过观测这一类的超新星爆炸提出来的。再结合其他的一些观测,认为宇宙还存在暗物质。我们今天认为的宇宙的组份:73%的暗能量,23%的暗物质,只有4%的正常的物质——就是我们看到的星星,气体等。所以宇宙有96%的东西我们是不知道的。

我们了解得越多,就发现我们对宇宙知道得越少。借用张双南老师一句话,他说不常见的是美的,那么我想说,看不见的更美:暗能量,暗物质都看不见,吸引着无数的人去研究,所以它是最美的。

超新星还有一个重要作用,它为人类生命的形成提供了基础。超新星是宇宙的炼金炉,恒星中心产生的重元素都是通过超新星爆炸释放到宇宙星际空间的,如果没有超新星爆炸,咱们在座的各位都不存在。人体血管里流淌的氧,集成电路半导体的硅,建筑物用到的铁等等,都是通过超新星爆炸释放到宇宙空间形成的。所以说超新星相当于宇宙再循环的催化剂——原初的星云形成的恒星爆炸以后,形成的重元素通过超新星爆炸的形式又循环到这个星云,这些更重的元素参与下一代的恒星演化,就形成了所谓的“富二代”的恒星。我们太阳系就是太阳附近的恒星爆炸产生的残骸。

超新星爆炸为人类展现了壮丽的宇宙烟花表演,为宇宙生命的形成提供了基础,为科学家提供了探索宇宙命运的灯塔,所以我们要感谢这些牺牲自我而照亮宇宙的恒星。

我作为一名大学老师和科学家平时总有很多的工作要做,有时候觉得很疲惫,就走出去看看星空,烦恼就抛到九霄云外了,因为个人的烦恼跟整个宇宙的大尺度事情相比就不值得一提。我也鼓励在座的各位,烦恼的时候可以走出去看看星空。

谢谢大家。


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