潜入海底，探寻超新星的“足迹”

□　文　柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

潜入海底，探寻超新星的“足迹”

□文柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

当超新星的冲击波来到地球

今夜仰望星空，你会看到一个和平而宁静的宇宙。除掉地球自转的影响，恒星在天空中的位置是固定的，行星则在近圆的轨道上绕着太阳运行，不时还能看到几颗流星。不过历史记载告诉我们，夜空并不一直是这样黑暗和平静，偶尔，大质量恒星会发生爆炸而形成肉眼可见的超新星——有时甚至在白天也可以看到。

在史籍中，中国的天文学家精确地描述了天空中出现的超新星的各种性质。这对现代天文学家确定超新星遗迹及其年龄大有帮助。著名的例子如超新星SN185，它于公元185年被中国天文学家发现；超新星SN1006，发现于公元1006年；以及也许是最著名的超新星SN1054（于公元1054年发现）。SN1054的遗迹现在被称为蟹状星云，在它的中心是一颗年龄还不到1000岁的脉冲星。在现代的记录中，最著名的则当属超新星SN1987A，它于1987年爆发于大麦哲伦星系。这是第一颗能够用（陆基和太空中的）现代望远镜详细观测的超新星。尽管这几颗超新星都很明亮，好几颗在白天都能看到，不过，幸运的是它们离我们还是很远的，并不会对地球和地球上的生物有什么影响。

而邻近的超新星——距我们几十到几百光年远——则更具破坏性得多。首先，所有超新星都能产生的高能伽马射线会对地球上所有的动植物产生毁灭性的影响。除此之外，伽马射线在高层大气中引发的化学反应会产生有毒的氮氧化物。而且，这些伽马射线可以在几天之内摧毁地球的臭氧层，让所有生物暴露在来自太空（包括太阳）的危险射线之下。好在，这种灾难性的事件非常罕见，也许从地球诞生以来也只发生过为数不多的几次。越遥远的超新星爆发也就越常见，但它们在地球上留下的痕迹也越少。

图中是超新星S N1006爆炸后的遗迹，在天空中的跨度为60光年，位于豺狼座天区。它距离我们7000光年远，所以实际上地球上的人们在公元1006年看见的光是其在7000年前发出。图中蓝色结构来自钱德拉X射线天文台的X波段数据，黄色结构来自光学波段的数据，红色结构来自射电波段数据。图片来源：APOD

蟹状星云是1054年一颗超新星爆发的结果，中国天文学家详细地记录了这颗超新星爆发的经过。那颗曾经巨大的恒星，现在只剩下了抛射出的弥散的物质（图中可以看到的星云）和一颗暗弱的中子星（图中看不到）。正如读者在图中可以看到的，超新星的星风还没有吹到很远的地方，因为它刚刚开始吹拂不到一千年而已。它的激波到达地球要花上数百万年的时间，那时，它的能量已经消耗殆尽，我们遥远的子孙也几乎不会注意到它了。图片来源：NASA/ESA

超新星爆发的证据——铁族元素

地表附近存在的铁-60可以为近期爆发的超新星提供间接的证据。铁-60是铁的一种放射性同位素，半衰期约260万年。这就是说，如果铁-60降落到地球表面，其中的一半将在260万年之后不复存在。而剩下的一半，其中的又一半将会在下一个260万年之后不复存在。这种指数式衰变的结果是，几千万年之内，几乎所有的铁-60都将不复存在。这些铁-60会衰变为非常不稳定的钴-60，然后几乎立刻衰变成稳定的镍-60。因此不妨说，铁-60是镍-60的放射性祖先。孤立地研究岩石样本中的铁-60，是无法弄清它最初在这块岩石中的含量的，因而也无法得知岩石的年龄。但是，同时测量铁-60和镍-60在岩石中的含量并且进行比较，就能非常精确地得到最初铁-60的含量，并由此得出岩石的年龄。这种方法称为放射性定年法，也是一种在地质学和考古学中普遍使用的技术。

那么，铁-60要怎么才能帮助我们探索宇宙的秘密呢？原来，我们知道，宇宙中只有一个地方能够产生出铁-60：那就是大质量恒星生命结束时发生的超新星爆发。因此，当我们在地球表面探测到铁-60，我们就知道，它一定来自一场超新星爆发。由于铁-60会随时间不断衰变，我们必须同时对伴随而来的衰变产物进行测定，这样就能确定最初铁-60的含量，以及它是何时到达地球的。有多少铁-60能够到达地球，这取决于超新星爆发的强烈程度以及它到我们的距离。爆发不能太远，否则它所产生的几乎所有的铁-60在到达地球之前就已经衰变完了。这颗超新星也不能太近，因为那样的话，地球的大气层就会受到破坏。

来自德国、澳大利亚和美国的几个研究团队提出了天才的设想，利用铁-60在地球表面的丰度，揭示这颗可能的邻近超新星的更多信息：真的有这样一颗邻近超新星吗？它是什么时候、在哪里爆发的？

在尘埃带的缝隙中，天文学家发现了一颗超新星的身影——SN2016adj。右上方小图叉丝标示的就正是这颗超新星，就在它的身边还紧贴着一颗银河系内的明亮前景星（位于超新星右侧）。高清大图中的数据来自哈勃空间望远镜，小图则来自地面拍摄的影像。对这颗超新星的跟进观测，将帮助我们了解大质量恒星演化的秘密以及地球上某些元素形成的原因。图片来源：APOD

测量超新星尘埃的遗迹

一颗超新星在爆发时，会向四面八方抛射出整个星体的全部物质（恒星尘埃）。而其中的一些能够到达地球，并且沉积在地球表面，它们（至少在理论上）能够被我们探测到。前文三支科研团队花了很大力气测量这些尘埃。他们潜入海底之下很深的地方，寻找那些被封存了几百万年的物质。在大海底部钻探地层的好处是，我们可以从另外一个角度（除了上述的铁-60定年法）大致地框定尘埃的年龄。这三支队伍分别在夏威夷附近太平洋、冰岛附近大西洋和澳大利亚附近印度洋的海底测量了铁-60的含量。他们各自独立进行了样本分析，并把得到的结果进行比较。就像科学研究中经常出现的那样，这些样本给出的结果并不一样：每一份海底样本测出的铁-60含量都不同。不过，测定的年龄却基本一样：这些铁-60看来都是在约220万年前降落到地球表面的。

那么，这些沉积的铁-60怎么会测出几乎相同的年龄，含量却大相径庭呢？读者也许已经猜到了答案：在地球各处沉积的铁-60含量不同，其实只是因为风、水流等简单的物理过程的作用。这听上去很直白，但要模拟这些过程却非常困难。

模拟恒星尘埃的流动

三个团队的科学家想要了解这些恒星尘埃（尤其是其中含有的铁-60）经历的更多细节——从它们被超新星中抛射出来起，直到它们沉积在地球上三个大洋的海底为止。为此，他们开发了能够模拟全部这些过程的计算机程序。

也许你会奇怪，通过研究海底之下积压的烂泥，怎么可能就确定了一颗早在几百万年之前爆发的超新星的各种性质呢？确实，这是个很大的挑战，但好在目前的地质学和天体物理学已经比以前进步了非常多。

第一步要做的是建立超新星爆发的模型。具体来说，就是建立不同种类、离地球不同距离的恒星爆发的模型。第二步是对从抛出尘埃（其中含有铁-60）的超新星到太阳系外围之间传播的超新星激波进行模拟。当这些物质来到太阳系附近时，它们的轨迹会由于太阳引力以及强烈的阳光所产生的辐射压而发生弯曲。随着这些尘埃进入太阳系，它们也依次进入了气态巨行星、地球和月球引力场的范围。在它们接近我们地球的最后阶段，地球的磁场也会对它们产生影响（不要忘记我们这里讨论的是有磁性的物质——铁）。

进入地球大气层之后，风会把这些尘埃吹向地球各处。它们的最终归宿，要么是直接落进海洋，要么是落到陆地上，然后在雨水和河流的冲刷下流进海洋。这些铁-60随着洋流在海洋中游荡，并且渐渐沉到海底。经过几百万年，新的沉积物和生物的遗体、粪便把这些铁-60压在数十米厚的泥沙之下。来自超新星的物质成分会在这种状态下封存上百万年，（也就是说，它们不会跟其他的物质混合，）只是其中的铁-60将会缓慢地衰变为钴-60，然后衰变成镍-60。

所有这些——引力、磁场、风和水流——的变化，把这些尘埃分散到整个地球表面，因此很难确定它们的来源。尤其是，这些过程还跟尘埃颗粒的大小和所带的电荷密切相关。不仅如此，事情实际上还要更复杂。那就是，这些富含铁-60的气体和尘埃并不是一次性到达地球的，而是持续了一段漫长的时期。这场地球上的铁-60“雨”也许“下”了超过10万年。这意味着，地球已经绕太阳公转了10万圈，而绕着地轴自转了超过3600万圈。尽管如此，这场超新星袭击对于北半球和南半球来说仍然是有差异的。另外，考虑到地轴的进动（地轴倾斜方向和角度的周期性变化），超新星的“风雨”实际上相当于是从多个方向倾泻到地球上的。当然，另一方面，我们在海底发现的铁-60为这颗超新星的距离和出现的时间提供了非常准确的证据。200万年并不是很长的时间，我们可以环视整个天空，寻找这颗超新星爆发的位置。

科学家在地球上三个不同位置——冰岛（左）、夏威夷（中）和澳大利亚（右）——的海底之下获取了铁-60的样本。本图显示了计算机对一颗在南天极附近爆发的超新星的模拟结果。不同颜色指示出预测到达地球不同位置的铁-60的量。这颗超新星或许在长达10万年的时间里不断向地球输送它的物质，这期间，地球已经自转、公转了很多圈，地轴的方向也进动了很多。其结果是，到达南半球不同地方的物质几乎是一样多的。现在图中显示的结果则是考虑了这些尘埃到达地球之后，经过了风、水流、化学、生物以及沉积等各种过程影响之后的分布结果。图片来源：The Astrophysical J ournal

在半人马座和南十字座天区一个由年轻恒星组成的星协（天蝎-半人马星协，离我们最近的OB星协之一）中，可能存在着一个爆发于280万年前的超新星，它抛出的含有铁-60的尘埃在220万年前到达地球。尽管这个OB星协中质量最大的那些恒星已经爆发，但仍然有很多质量相当大、相当明亮的恒星留了下来，其中的很多构成了这片天区主要星座的基本形状。图片来源：Akira Fuji/ David Malin images

结合海底之下铁-60的测量结果，根据风、水流、地质学、引力场、磁场、地球的轨道、地轴指向、放射性过程的知识，以及太阳附近不同地方恒星形成区的信息，三个研究团队确定了这颗超新星的前身星所在的三个可能的位置。研究者认为，其中最有可能的是杜鹃座-时钟座（Tuc-Hor）方向。按照最佳拟合的模型，这次爆发于280万年前发生在这块天区，它的激波于220万年前到达地球。因此，这些富含铁-60的尘埃花了大约80万年到达地球（以将近100千米/秒的速度），而其中的一部分铁-60在途中已经衰变了。不过，必须注意的是，无论样本测量还是计算机模拟，目前都有相当大的误差，很难确凿地认定爆发就是发生在杜鹃-时钟座天区。

去我们最近的“邻居”那儿试着找找看

要是能找一个地方，在那发生的上述物理过程不那么复杂，那么确定超新星的各种性质就变得容易多了。真的有这样一个风、水、地质变化和生物活动不会那么厉害地扰乱测量和计算的地方吗？其实，这样的地方还真是存在的：那就是我们的卫星——月球！距我们仅36万千米。这听上去很棒，是不是？唯一的问题是，为了区区一颗两百万年前爆发的超新星特地去月球上挖样本，实在有点不划算。好在，现在的很多研究所和博物馆里，就有来自月球的样本。于43年前结束的美国“阿波罗”探月项目一共把800磅月球岩石带回了地球。（事实上，北京现在也保存着其中的一小块。）这些月岩采自月球上不同的位置，它们也可用来进行铁-60衰变的研究。科学家已经提出了另外的研究项目，其中就包括这项化学分析的工作。目前，上述的三个研究团队正在就测量月球样本展开一场竞争，无疑，他们都想成为第一个发表结果的人。

铁-60（以及它的放射性后代镍-60）在月球表面分布的预测值，分别对应于两个最可能的超新星爆发地：天蝎-半人马星协（左图）和杜鹃-时钟座天区（右图）。“阿波罗”登陆点用数字标出，带回地面的月球样本正是在这些地点获得的。由于月壤不受风和水流的影响，通过测量铁-60在不同地点样本中的含量，就有可能确定超新星爆发的天区。图片来源：The Astrophysical J ournal

超新星与生命

超新星爆发是恒星在生命演化结束时发生的一次大规模爆发事件。图片来源：NASA

我们生活在一个活动着的宇宙中，恒星无时无刻不在诞生和死亡。在我们的银河系里，平均每年就有一颗新的恒星诞生。大多数恒星会经历漫长的一生，然后安静地死去。而大约百分之一的恒星（在银河系中，平均一个世纪一颗）会在一场超新星爆发中结束自己的生命。这些超新星爆发会对地球造成破坏——当然，它们也会对银河系里其他可能的文明造成破坏。平均每个世纪一颗超新星，这意味着自银河系诞生以来，已经爆发了大约一亿颗超新星。其中的每一颗都会给它周围一小块区域里的所有行星来一次“消毒”，消灭上面所有的生命。这些爆发加在一起，就会影响我们在银河系中发现生命的可能性，也潜在地增加了地球历史上出现各种生命形式的困难。