夜空中最亮的星，创造缤纷宇宙

2021-12-17王善钦

飞碟探索 2021年4期

王善钦

古人看到的夜空中最亮的星

1572年11月11日夜晚，丹麦天文学家第谷（1546—1601）带着仆人走在街上。当他抬起头时，突然看到天上仙后座的位置上似乎多了一颗明亮的星星。此前就已经是天文观测老手的第谷意识到，千载难逢的机会来了。他从那一夜开始，详尽地观测了这颗突然出现的星，并称其为nova，即“新星”。这颗新星后来被命名为“第谷新星”。有学者认为，莎士比亚的《哈姆雷特》中也描述了第谷超新星，描述者为第一幕第一场中名为伯纳多的军官。

事实上，这颗星在此前3天，即11月8日，就已经被世界上多个国家的人发现了，这些国家中就包括中国。

明隆庆六年十月初三（1572年11月8日）夜，朝廷的天文官署（钦天监）在天空东北方的壁宿发现一颗特别亮的客星（中国古代指天空中新出现的星，如新星、超新星、彗星等）。这颗客星出现时，有弹丸那么大，微微发光;19天后变为橘黄色，光芒四射，有灯盏那么大，傍晚太阳下山前就可以看到。这颗星于第二年农历二月才变暗，第三年农历四月才消失。

同时代的许多中国人看到过两次这样的事件。上面那是第一次，第二次发生在万历三十二年九月乙丑（1604年10月10日）。钦天监持续观测到这颗客星，它如弹丸般大小，红黄色，持续一年后才消失。

意大利北部人在中国人发现这颗新出现的星星之前一天（1604年10月9日）就首先发现了它。它位于蛇夫座。10月10日，一名布拉格人透过云层看到这颗新星，并告诉了天文学家开普勒（1571—1630）。开普勒苦等多天，等云层终于散开后，他开始了为期一年多的详尽观测。这颗星最亮时仅略暗于金星。

然而，这两次并不是人类关于明亮客星的最早记载。此前至少还有3次可靠的记载：

第一次是公元185年12月7日（东汉中平二年十月癸亥），在圆规座和半人马座之间、靠近“南门二”星的地方出现了一颗客星，连续8个月可见。罗马帝国的文献可能也记录了这颗星。据后代推算，这颗星最亮时达到金星亮度的几十倍。

第二次是公元1006年5月6日（北宋景德三年四月戊寅），北宋的天文官署观察记载了豺狼座出現的一颗耀眼的客星。它最亮时可以在夜间照出人影、分辨出物体。据推算，它最亮时达到了金星亮度的20～100倍，在夜间仅次于月亮。位于今天日本、伊拉克、埃及以及欧洲地区的人当时也发现了这颗突然出现的星。北美亚利桑那州巨人柱国家公园中的霍霍卡岩画上画的星体可能也是这颗星。这颗星在夜空中闪耀了1年又4个月才消失。

第三次是公元1054年7月4日（北宋至和元年五月己丑），北宋的天文官署发现夜空金牛座位置出现一颗特别亮的客星——天关客星。它持续了近2年才消失，最亮时是金星亮度的2～3倍，其中甚至有23天可以在白天看到它。

此前因为资料挖掘不够充分，国内外很多人以为，古代西方人对东汉与宋代时期出现的客星没有任何记载，这当然是错误的看法。但对这3颗特殊的客星，中国古籍中的记载是世界上最详细的，其中对东汉时期发现的那颗客星，现存仅有的文字记载在中国古籍中（古罗马文献可能也有记载，但没有保存下来）。

上面列举的5次新星的共同特点是特别明亮，要么稍暗于金星，要么比金星更亮，甚至亮数十倍，更比其他绝大多数新星亮得多。

为什么看起来这么亮

为什么这几颗新星特别亮？是因为它们离我们特别近，还是因为它们的真实亮度本就远超过其他新星？由于人们一直以来都无法确定地球与其他恒星的距离，因此，关于新星亮度的这个问题便长期无解。

即使如此，也有人根据M31星系中的新星现象，得到了一些线索。截至1923年，人类观测到了22次出现在M31星系的新星，其中有几颗比其他新星亮得多，甚至几乎可以用肉眼看到。不管M31距离我们多远，不管它在银河系内还是系外，它里面的新星与我们的距离几乎都是一样的。这就好比我们看远处的一群人，他们每个人与我们的距离也几乎相同。那么就能说明，M31中那些特别亮的新星，它们的亮度与距离无关，而是真的比其他普通新星亮得多。

美国天文学家柯蒂斯（1872—1942）曾提出，新星可分为两类，其中一类会比另一类亮得多。后来瑞典天文学家伦德马克（1889—1958）也提出，新星有两大类，亮度高的是“巨新星”，亮度低的是“矮新星”。他还坚信M31是银河系之外的星系。如果M31是银河系之外的星系，那么它距离地球就非常远，里面出现的几颗最亮的新星的真实亮度是当时所有理论都无法解释的。

1924年，美国天文学家哈勃（1889—1953）用M31中的造父变星测出了它与地球的真实距离，这个距离远超此前人们认定的银河系的大小：M31确实是银河系之外的巨大星系，而且比银河系更大。

这首先意味着，M31中几颗特别亮的新星，其真实亮度高到令人难以置信;其次，假设银河系内所有新星都发生在距离地球同样远的地方，那古人看到的那些特别亮的新星可能都是同一类;最后，那些特别亮的新星看起来比其他大多数新星亮得多，是因为它们的亮度确实非常高，而不是因为它们与我们距离更近。

那么，为什么有的新星可以亮到那个程度，它们又是怎样产生的呢？

超新星的诞生：大质量恒星与白矮星的毁灭

为了描述那些非常明亮的新星，瑞士天文学家兹威基（1898—1974）在1931年的一份讲义中首次将“超级”（super）与“新星”（nova）连在一起，构成名词“超- 新星”（super-nova）。1934年，他与德国天文学家巴德（1893—1960）在论文中提出：大质量恒星演化到末期，会将其中心压缩成一个非常致密、几乎完全由中子构成的天体，质量和太阳差不多，半径却只有约10千米;这时，恒星表面的物质就会被中子星反弹出去，产生超- 新星。1938年，这一名称被正式确立为“超新星”（supernova，简写为SN）。后来的理论证明兹威基与巴德是对的，确实有相当一部分超新星来自大质量恒星的爆发。

1960年，英国天文学家霍伊尔（1915—2001）与英国物理学家福勒（1911—1995）合作写了一篇论文，认为有一些超新星来自白矮星爆炸。这个想法也没错。现在的理论和观测研究都表明：如果白矮星堆积物质的速度太快而没有及时喷发出去，就会迅速收缩、变热，然后彻底炸毁自身，成为“热核爆炸超新星”，对应的分类是Ia 型。两颗白矮星并合在一起，也会爆炸成为Ia 型超新星。

望远镜发明前人类记录的新星中，大约7个是超新星，其中5个已经确定了类型，只有1054年观测到的那个是大质量恒星坍缩后爆炸形成的，其他4个都是白矮星爆炸形成的。

Ia型超新星的亮度演化比较有规律。通过某些方法，科学家可以将众多远近不同的Ia 型超新星的亮度演化曲线统一为同一个模板，定出其修正后的最亮值，这个值基本上是一样的。利用这个性质，可以将Ia 型超新星作为标准烛光（测量其他天体辐射强度的标尺），探测几十亿光年之外的距离。1998年，两个互相竞争的小组据此推断出远处的Ia型超新星比正常膨胀的宇宙模型给出的亮度低一些，据此判断出宇宙在加速膨胀，进而给出了暗能量存在的证据。

除了以上两种爆发模式之外，可能还存在第3种超新星爆发模式：如果恒星质量过大（130～250倍太阳质量），在中心聚变为氧核心时，氧核心的温度过高，使大量高能光子变为中微子与反中微子，后者逃逸出星体，导致星体收缩、温度升高，最后彻底炸毁，这就是“不稳定对超新星”。

超新星常见还是罕见

超新星的数量一直在迅速增长。

在古代，人类能够看到并记录下来的只有银河系内的超新星爆发。天文望远镜发明后，天文学家从每几年发现一个超新星，到每年发现几十、上百个超新星。现在，天文学家每年能发现几千个超新星。2022年，美国多个天文机构合作主导的位于智利的8米口径LSST 项目（Large SynopticSurvey Telescope，大型综合巡天望远镜，简写为LSST）运行之后，每年可以发现几十万颗超新星。中国科技大学与中科院紫金山天文台合作投资研发的位于我国青海冷湖的2.5米口径WFST 项目（Wide Field Survey Telescope，大视场巡天望远镜，简写为WFST）也于2021年开建，建成后将在北半球发现大量超新星。

从这个角度看，超新星已经并不罕见。但银河系内的超新星很罕见。

从望远镜发明之后到现在的400多年间，人类再也没有发现过银河系内爆发的超新星。在这期间，人类发现的超新星都在银河系外，且唯一能够用肉眼直接看到的是1987年观测到的SN 1987A，它爆发于大麦哲伦星系。

据估计，银河系内每百年只能爆发几个超新星。但这只是平均值，事实上，有时候在几十年内就可以观测到两个超新星，比如1006年与1054年，1572年与1604年;但有时候整整几百年都观测不到一个。我们难以观测到银河系内的超新星，一方面是因为数量确实稀少，另一方面是因为位置——如果一个超新星与地球之间隔着太多尘埃，它发出的光就会被尘埃大量吸收，最终无法到达地球，也就无法被我们观测到。

我们都在盼望着能够看到银河系内爆发的下一个超新星。它一旦爆发，并能够让人类用肉眼看到，必将引发全世界的持久的观测狂潮。

当前，人们发现一些大质量恒星已经接近死亡，比如冬季大三角中的参宿四——猎户座α 星。它是一颗红超巨星，颜色红、亮度高，也许再过几十万年就会爆发为超新星，也许几年后就会爆发为超新星，也许它已经爆发成超新星，发出的光正朝地球飞来。由于恒星演化过程的复杂性，没有人可以精确地计算它爆发的时间。假如它爆发为超新星，未来的人类就无法在夜空中看到美丽的冬季大三角了，难免让人觉得遗憾。

如果一颗离地球太近的恒星爆发为超新星，它发出的辐射就有可能破坏地球的大气层。有人猜测，几亿年前地球上的几次生物大规模灭绝，其中就有可能是由近距离超新星爆发引起的。不过，发生这么近的超新星爆发，概率是非常低的，我们大可不必担心。

长胡子的超新星：伴随伽马射线暴

1967年，美国的维拉号（Vela）军事卫星偶然探测到了持续几秒的伽马射线暴。冷战时期，这些卫星用于监控苏联可能进行的太空核试验所发出的伽马射线。但分析很快排除了人工核試验的可能性，说明这些爆发来自太空。这个结果在1973年公布后，引起了天文学界的广泛兴趣。这类现象被称为伽马射线暴（Gamma Ray Burst，简写为GRB），简称伽马暴。

此后，科学界相继提出至少几十种解释伽马暴的模型。1990年之后，最流行的几种模型分别是：中子星与中子星碰撞、中子星与黑洞并合、大质量恒星坍缩。1998年，人类首次发现一个伽马暴伴随着超新星的可能证据。2003年，人类首次发现一个伽马暴伴随超新星的铁证，从而证明有一部分伽马射线暴来自超新星。

能够产生伽马暴的超新星非常少，至今被确认的不足100例。想要让一颗恒星在爆发为超新星的同时产生伽马暴，那就要求这颗恒星必须在爆发前失去外层的所有氢和绝大部分氦，还需要高速旋转。即使一个超新星伴随伽马暴，如果爆发前的自转轴没有指向地球，它所发出的伽马暴也无法被地球探测到。因为伽马暴像喷泉一样，具有强烈的方向性。

超亮超新星和多种元素的反应炉

一般的超新星的亮度可以达到太阳的几亿到几十亿倍。但过去20年中，天文学家发现了100多个超级亮的超新星，它们的亮度可以达到太阳亮度的几百亿甚至几千亿倍，被称为“超亮超新星”。

科学家认为，超亮超新星与普通超新星的亮度很可能由不同的能源驱动。普通超新星的亮度来自超新星合成的放射性镍-56，而超亮超新星的能量可能主要来自中心致密天体的转动能，或者超新星物质撞击周围介质产生的热量。超亮超新星非常罕见，产生概率是普通超新星的0.1%左右：每发现几千个超新星，才有可能从中发现几颗超亮超新星。

这里就涉及一个关于元素产生的问题。对人类来说，宇宙中的元素与地球上的元素来自何方，是一个长期受关注的课题。

大爆炸宇宙学表明，大爆炸之后能够产生氢、大部分氦、少部分锂、极微量铍，此外再无法产生其他任何元素。另一方面，英国天文学家爱丁顿（1882—1944）早已提出，恒星内部的聚变反应不仅会释放能量，还会合成多种元素。此后，霍伊尔、福勒和美国物理学家贝特（1906—2005）等人先后发展了恒星内部核合成理论。这个理论后来在伯比奇夫妇——美国天文学家玛格丽特· 伯比奇（1919—2020）、英国天文学家杰弗里·伯比奇（1925—2010）——福勒与霍伊尔合写的一篇论文“Synthesis ofthe Elements in Stars”（《恒星中的元素合成》）中得到完整发展。这篇文章成为恒星物理学的指标性论文，也被称为“B2FH 论文”（论文4位作者姓氏首字母的组合）。人们因此确知，没有铷重的中等质量元素大都来自恒星内部的核聚变。

如果恒星在沉默中死去，那么这些元素将永远留在恒星内部，不会抛洒到太空。但由于超新星爆发，白矮星里堆积的碳、氧，以及大质量恒星里堆积的碳、氧、氖、镁、硫、磷等大量元素被抛入太空。同时，超新星爆发还会合成大量硅以及比硅重、比铷轻的元素。也就是说，超新星的爆发会将其在爆发前与爆发后合成的元素全部抛向太空，掺入周围的分子云之中，有的会化合成水和各类有机物，有的则凝聚成大小不一的无机物尘埃。

我们都是星尘

大约46亿年前，宇宙中的某处分子云在自转的同时，缓慢收缩、升温。随着时间的推移，分子云中心的氢最终聚集为一个炽热的火球。分子云中的水被蒸发后升到外部，与原本在外围的尘埃聚集，成为一个个岩土块，岩土块互相碰撞，黏在一起后形成更大的岩土块。这样的碰撞过程持续进行，最终形成围绕中心火球转动的多个巨大行星和无数个小行星。而火球中心也达到了足够的温度与压强，启动了核聚变，成为一颗恒星。这个火球就是我们的太阳，上面说的多个巨大行星中的一个就是我们的地球。

在地球形成之后，海洋里开始产生生命，并逐步向各种低级与高级的形态进化，最后进化出人类。包括人类在内的各类生命体中的几乎所有元素，都来自地球，而地球上的元素，除了氫、氦、锂等轻元素与金、银、铀、稀土等重元素，大部分都来自超新星喷发出的物质。至于宇宙中与地球上的重元素，它们大多来自中子星的碎片，而中子星本就是超新星爆发的产物。所以，可以说大部分重元素也是超新星的间接产物。

追本溯源，我们就会知道，占我们身体重量约70% 的水，其中的氧大部分来自超新星爆发后抛出的氧;我们血液中不可缺少的铁，几乎全部来自超新星爆发后合成的镍-56（镍-56在衰变后会迅速形成稳定的铁元素）。

如果没有超新星爆发抛出的物质，几十亿年前的那团分子云虽然还是会形成太阳，但太阳的周围不会形成任何岩石行星，当然也不会有我们的地球，自然也不会有人类：人类依托地球生存，人类身体的大部分物质本就是超新星制造或者喷发出的物质。

“We are all stardust（我们都是星尘）.”美国天文学家卡尔·萨根（1934—1996）如是说。看到这里，你想必已经明白了这句话中的含义。