客星出天關(guān)

陳厚尊

宋仁宗至和元年五月己丑，即公元1054年7月4日，寅時(shí)。再有一個(gè)時(shí)辰，天就要亮了。身為大宋司天監(jiān)的楊惟德一如往常，理好官服，緩步登上高聳的瞻星臺(tái)，向微明的東方極目眺望。是夜，繁星如許，殘?jiān)氯玢^。忽然，一顆芒角四溢、顏色赤白的大星引起了楊惟德的注意。這顆大星剛剛升起于東方地平線上，在它的旁邊，還隱約可見暗淡的畢宿天關(guān)星。起初，楊惟德還以為那只不過是剛剛東出的啟明星，因?yàn)闊o(wú)論是顏色、亮度還是方位，這顆大星都與啟明星極其吻合。然而下一瞬間，這位經(jīng)驗(yàn)豐富的司天監(jiān)陡然記起，他剛剛在日落前見過長(zhǎng)庚，也就是傍晚時(shí)候的金星。他當(dāng)即意識(shí)到，眼前這顆大星絕不可能是啟明星?。ㄔ诠糯袊?guó)，啟明和長(zhǎng)庚都是金星的別名。《詩(shī)經(jīng)·小雅》中說(shuō)：“東有啟明，西有長(zhǎng)庚?！保钗┑逻B忙查閱了近期五星的出沒記錄，并最終斷定，這是一顆百年罕見的客星！事不宜遲，他連夜寫了一份奏章上呈天子，以述客星之兆。其中，楊惟德描述客星的一段文字，被后來(lái)的《宋史·仁宗本紀(jì)》轉(zhuǎn)錄下來(lái)，流傳后世。這段文字是這樣的：“自至和元年五月，客星晨出東方，守天關(guān)，至是沒。”

當(dāng)然，以上不過是筆者對(duì)當(dāng)年情形的一種想象，具體經(jīng)過如何，恐怕早已消失于歷史的迷霧之中。文中提及的神秘大星，便是赫赫有名的“天關(guān)客星”。在中國(guó)古代，客星泛指那些天空中新出現(xiàn)的星星，因?yàn)樗鼈儠?huì)像“客人”一樣突然現(xiàn)身于常見的星宿之間。在這類天體中，最著名的當(dāng)屬銀河系內(nèi)的超新星。比如，上述的天關(guān)客星又被稱為1054超新星或SN1054（SN是超新星的英文單詞Supernova 的縮寫）。在中國(guó)和日本的古代文獻(xiàn)中，關(guān)于天關(guān)客星的記載甚為廣泛，但內(nèi)容大體一致，很少有出入。將它們分條摘錄出來(lái)，基本能夠還原出1054超新星目視亮度的變化情況。這足以證明當(dāng)時(shí)的執(zhí)政者對(duì)天關(guān)客星的關(guān)注度之高。當(dāng)然，這與中國(guó)古代“天人合一”的思想是分不開的。

從1054年7月4日天關(guān)客星初現(xiàn)時(shí)算起，至1056年4月5日消失時(shí)為止， 我們這位偉大的大宋司天監(jiān)對(duì)天關(guān)客星堅(jiān)持不懈地觀測(cè)了整整643天。根據(jù)楊惟德的記錄，客星初見的前23日都“亮如太白”，白晝可見。之后，其亮度逐日衰減，至2年后消失不見。后來(lái)時(shí)光飛逝，一直到670多年后的1731年，英國(guó)一名外科醫(yī)生兼天文愛好者約翰·貝維斯才在金牛座ζ星（即天關(guān)星）近旁

偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)灰白色的小霧團(tuán)。1758年，法國(guó)彗星獵手查爾斯·梅西耶在觀測(cè)一顆明亮的彗星時(shí)，又一次發(fā)現(xiàn)了它。后來(lái)，梅西耶將它收入自己編纂的《彗星狀星表》中，排名第一號(hào)，即M1。如今，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡里的灰白色小霧團(tuán)被人們稱為蟹狀星云。筆者不清楚它為何會(huì)獲得這樣一個(gè)古怪的名字，因?yàn)檫@個(gè)星云的外形真是一點(diǎn)也不像螃蟹。

當(dāng)時(shí)，沒有人將這兩件看似不相干的天文事件聯(lián)系在一起。1892年， 美國(guó)天文學(xué)家使用剛問世不久的照相技術(shù)，為M1拍攝了史上第一張照片。1921年，另一位美國(guó)天文學(xué)家蘭普蘭德拍攝了另一張M1的照片。通過對(duì)比30年間拍攝的兩張照片，蘭普蘭德發(fā)現(xiàn)M1有膨脹跡象。1928年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃重新測(cè)量了M1的膨脹速率，斷定其誕生時(shí)間大約在900年前，并且猜測(cè)它與中國(guó)古代記載的“天關(guān)客星”有關(guān)。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家對(duì)星云的本質(zhì)尚不清楚，無(wú)法斷定其與超新星爆發(fā)事件是否存在關(guān)聯(lián)，哈勃的看法僅僅是一種猜測(cè)。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，射電天文學(xué)蓬勃發(fā)展起來(lái)。人們發(fā)現(xiàn)，M1在射電波段是一個(gè)極強(qiáng)的輻射源，其輻射能譜符合同步加速輻射獨(dú)有的冪律譜特征。同步加速輻射的本質(zhì)，其實(shí)是高能電子在一個(gè)極強(qiáng)的磁場(chǎng)中做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射。如此看來(lái)，M1的中心必然存在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)源。20世紀(jì)60年代，得益于航天技術(shù)的進(jìn)步，X射線天文學(xué)與伽馬射線天文學(xué)進(jìn)入蓬勃發(fā)展期。后續(xù)的觀測(cè)表明，M1在X波段和伽馬波段都是很強(qiáng)的發(fā)射源。

1967年，劍橋大學(xué)的一名女研究生喬瑟琳·貝爾在狐貍座發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖星。有人據(jù)此猜測(cè)，M1的中央應(yīng)該也有一顆脈沖星。果不其然，僅僅1年后，人們便找到了M1的中央脈沖星PSR0531+21。

理論方面，進(jìn)入20世紀(jì)60年代以后，恒星的演化理論逐漸走向成熟。根據(jù)該理論，恒星的質(zhì)量決定了恒星最終的演化命運(yùn)。通常情況下，一顆初始質(zhì)量小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，最終會(huì)演化成一顆白矮星；初始質(zhì)量大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量、小于30倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，最終會(huì)演化成一顆中子星；初始質(zhì)量大于30倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，最終將演化為一個(gè)恒星級(jí)黑洞。這三類致密天體中，最先被觀測(cè)證實(shí)的是白矮星。事實(shí)上，早在1892年，美國(guó)天文學(xué)家克拉克就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)白矮星的候選者——天狼B。當(dāng)時(shí)，克拉克采集到了天狼B的光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其表面溫度超過25000K。然而，天狼B的目視亮度只有8.4等。根據(jù)黑體輻射的斯忒藩—玻爾茲曼定律，天狼B的半徑只能與地球相當(dāng)。另一方面，根據(jù)天狼A相對(duì)于背景恒星的搖擺幅度，天文學(xué)家測(cè)定出天狼B的質(zhì)量約為一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。如此一來(lái)，天狼B的密度差不多相當(dāng)于水的100萬(wàn)倍，遠(yuǎn)高于地球上正常物質(zhì)的密度水平。在當(dāng)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)尚不能給出物質(zhì)在如此高密度狀態(tài)下的物態(tài)方程。1926年，英國(guó)天體物理學(xué)家拉爾夫·福勒利用新誕生的量子力學(xué)，初步解釋了白矮星的密度問題。福勒指出，當(dāng)電

子氣進(jìn)入費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)預(yù)言的簡(jiǎn)并態(tài)時(shí)，密度有可能達(dá)到白矮星的密度量級(jí)。這樣的結(jié)果使天文學(xué)家相信，白矮星是所有恒星的最終歸宿。

1930年，年僅19歲的印度裔美國(guó)物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡在遠(yuǎn)赴英國(guó)劍橋大學(xué)的漫漫航程中，奇跡般地算出了一個(gè)結(jié)果：白矮星的質(zhì)量存在一個(gè)上限，這個(gè)上限約為太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍。當(dāng)白矮星的質(zhì)量超過這一上限時(shí)，萬(wàn)有引力會(huì)導(dǎo)致白矮星坍塌。通過在劍橋大學(xué)的學(xué)習(xí)，錢德拉塞卡逐步完善了自己的研究，并且在1935年的英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)會(huì)議上將自己的結(jié)論公

之于眾。遺憾的是，坐在臺(tái)下的天體物理學(xué)權(quán)威愛丁頓勛爵完全不接受這一結(jié)果，并宣稱它是一個(gè)古怪的理論。他的理由是，如果錢德拉塞卡是對(duì)的，那些質(zhì)量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的恒星的演化結(jié)果便不得而知了?，F(xiàn)在我們知道，愛丁頓錯(cuò)了，甚至那些質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)8倍的恒星，依然有機(jī)會(huì)演化成白矮星。恒星在演化后期的巨星階段，會(huì)以恒星風(fēng)的形式將多余的外殼拋掉，只留下為數(shù)不多的核心物質(zhì)繼續(xù)坍縮成白矮星。習(xí)慣上，錢德拉塞卡當(dāng)年得出的白矮星質(zhì)量上限，被稱為錢德拉塞卡極限。超過該極限的白矮星，其中的電子會(huì)與質(zhì)子發(fā)生中和反應(yīng)變?yōu)橹凶?，?dǎo)致電子簡(jiǎn)并

壓突然消失，星核將繼續(xù)坍縮下去，直至其密度抵達(dá)核子密度（相當(dāng)于水的100萬(wàn)億倍）。此時(shí)，中子氣進(jìn)入簡(jiǎn)并狀態(tài)并產(chǎn)生簡(jiǎn)并壓，以對(duì)抗引力收縮。星核由此坍縮為一顆中子星。1939年，美國(guó)物理學(xué)家奧本海默和沃爾科夫給出了第一個(gè)定量的中子星模型。事實(shí)上，中子星也存在一個(gè)質(zhì)量上限，習(xí)慣上稱之為奧本海默極限。由于我們?nèi)狈?duì)強(qiáng)相互作用的認(rèn)識(shí)，奧本海默極限的數(shù)值至今依然不明確?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，一顆質(zhì)量超過2.2倍至2.9倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星將坍縮成一個(gè)黑洞。

事實(shí)上，喬瑟琳·貝爾在1968年的論文中，已經(jīng)將她發(fā)現(xiàn)的脈沖星與奧本海默預(yù)言的中子星聯(lián)系在了一起。（筆者注：嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，脈沖星是一個(gè)射電天文學(xué)概念，特指那些能發(fā)射周期性脈沖信號(hào)的天體。因此，脈沖星不一定就是中子星。2017年1月，來(lái)自南非和英國(guó)的天文學(xué)家就在天蝎座發(fā)現(xiàn)了第一顆白矮脈沖星ARSco。）另一方面，恒星的演化理論告訴我們，中子星的誕生往往會(huì)伴隨著一次猛烈的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。至此，哈勃當(dāng)年提出的猜想最終得以證實(shí)。“天關(guān)

客星”與M1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到了來(lái)自理論物理和天文觀測(cè)兩方面的強(qiáng)有力支持。

今天我們知道，“天關(guān)客星”實(shí)際上是一次典型的系內(nèi)超新星爆發(fā)事件。歷史上，有明確記錄的系內(nèi)超新星爆發(fā)屈指可數(shù)。其中，最早的爆發(fā)記錄或許可追溯至《后漢書》中記載的公元185年的一次客星事件。當(dāng)時(shí)，人們?cè)诎肴笋R座目睹了一顆十分耀眼的五彩大星，在連續(xù)20個(gè)月內(nèi)都肉眼可見。此后，在公元386年和393年，中國(guó)古籍中都有疑似超新星的客星記錄。此后的600年間比較平靜，中外都沒有有關(guān)超新星爆發(fā)的記載，直到公元1006年，《宋史》中又記述了

一顆出現(xiàn)于豺狼座的超新星。據(jù)說(shuō)這顆超新星的亮度特別驚人，狀如半月，有芒角，目視亮度達(dá)到-7.5等。借助超新星的光芒，人們甚至可以在夜晚讀書識(shí)字。此后還有公元1181年的仙后座超新星爆發(fā)，峰值亮度約為0等。公元1572年11月11日，丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫在仙后座又目睹了一顆明亮的超新星，最亮?xí)r比金星還亮，在天空中閃耀了整整2年。眾所周知，第谷是一位勤奮的觀測(cè)者，對(duì)于天體的位置和亮度的測(cè)定，他有自己一套行之有效的辦法。當(dāng)時(shí)，第谷對(duì)這顆超新星進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)，取得了非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)。次年，第谷出版了一本專門討論這顆超新星的書——《De NovaStella》，中文簡(jiǎn)譯作《新星》。實(shí)際上，英文里指代“新星”的單詞Nova即來(lái)源于此。為了紀(jì)念第谷的杰出貢獻(xiàn)，后來(lái)人們將這顆超新星命名為“第谷超新星”。第谷晚年時(shí)從丹麥來(lái)到布拉格，在這里，他招募了一名來(lái)自德國(guó)的青年才俊當(dāng)自己的助手——他便是人稱“天空立法者”的開普勒。公元1604年1 0月9日，開普勒在蛇夫座又目睹了一顆超新星。在接下來(lái)的三周內(nèi)，人們甚至可以在白天尋覓到它的身影。這顆超新星在天空中閃耀了1年，最后消失在夜空之中。這是迄今人類觀察到的最后一顆系內(nèi)超新星。有點(diǎn)可惜的是，伽利略磨制

的第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡直到4年后才指向星空。時(shí)至今日，人們也不曾用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀察過銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)。

上帝給人類關(guān)上了一扇門，同時(shí)也為人類打開了一扇窗。1987年2月23日爆發(fā)于大麥哲倫星系的超新星SN1987A，從某種程度上彌補(bǔ)了400年來(lái)的遺憾。這是繼SN1604之后，第一顆肉眼可見

的超新星，峰值亮度達(dá)到了2.9等。大麥哲倫星系是銀河系最大的衛(wèi)星星系，距離地球約16萬(wàn)光年。SN1987A的光譜明確顯示出，這是一顆典型的由大質(zhì)量恒星暴死引發(fā)的超新星事件。當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)針對(duì)此類超新星爆發(fā)建立了較為成熟的模型。該模型預(yù)言，超新星爆發(fā)過程中產(chǎn)生的中微子流來(lái)自星核附近，而爆發(fā)產(chǎn)生的光輻射來(lái)自恒星表面，它們都是激波掃過時(shí)引發(fā)的。激波以聲速?gòu)男呛藗鞑ブ梁阈潜砻妫枰獛仔r(shí)到幾天不等（取決于恒星的大?。Ｒ虼耍形⒆恿鞅l(fā)的時(shí)刻要早于光輻射產(chǎn)生的時(shí)刻。SN1987A出現(xiàn)的時(shí)候，位于日本神岡、美國(guó)IMB和蘇聯(lián)巴克珊的實(shí)驗(yàn)室都采集到了這次超新星爆發(fā)發(fā)射的中微子，數(shù)目分別為11個(gè)、8個(gè)和5個(gè)，均來(lái)自大麥哲倫星系的方向，且中微子抵達(dá)的時(shí)間比光學(xué)爆發(fā)早3小時(shí)。這不僅驗(yàn)證了先前的超新星爆發(fā)模型，也進(jìn)一步證明SN1987A的確是一顆由大質(zhì)量恒星暴死引發(fā)的超新星事件。

如今，在廣闊的星系世界中，超新星爆發(fā)事件可謂司空見慣，相關(guān)的自動(dòng)巡天項(xiàng)目每年都會(huì)在幾百個(gè)河外星系中找到新爆發(fā)的超新星。2013年8月，位于雙魚座的旋渦星系M74中出現(xiàn)了一顆十分明亮的超新星SN2013ej，峰值亮度12等。筆者有幸對(duì)其進(jìn)行了觀測(cè)與拍攝。在拍到的照片中，SN2013ej的亮度甚至超過了M74的核心亮度，因此留下了很深的印象。其實(shí)，在最開始的時(shí)候，許多河外星系中的超新星都是由業(yè)余天文愛好者最先發(fā)現(xiàn)的。例如，澳大利亞的業(yè)余天文學(xué)家伊文思曾用目視法發(fā)現(xiàn)過42顆系外超新星，這一紀(jì)錄至今無(wú)人能及。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著CCD技術(shù)和望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)化控制技術(shù)的成熟，無(wú)人值守的自動(dòng)巡天項(xiàng)目紛紛上馬。越來(lái)越多的系外超新星被其收入囊中，導(dǎo)致天文愛好者有被擠出這一領(lǐng)域的趨勢(shì)。即便如此，業(yè)余觀測(cè)者尋找新天體的熱情沒有被澆滅，他們總是能在巡天系統(tǒng)的夾縫中出人意料地找到一些東西。功夫不負(fù)有心人。這句老話有時(shí)還真的會(huì)應(yīng)驗(yàn)！