夜空中最亮的星，創(chuàng)造繽紛宇宙

王善欽

古人看到的夜空中最亮的星

1572年11月11日夜晚，丹麥天文學(xué)家第谷（1546—1601）帶著仆人走在街上。當(dāng)他抬起頭時(shí)，突然看到天上仙后座的位置上似乎多了一顆明亮的星星。此前就已經(jīng)是天文觀測(cè)老手的第谷意識(shí)到，千載難逢的機(jī)會(huì)來(lái)了。他從那一夜開(kāi)始，詳盡地觀測(cè)了這顆突然出現(xiàn)的星，并稱(chēng)其為nova，即“新星”。這顆新星后來(lái)被命名為“第谷新星”。有學(xué)者認(rèn)為，莎士比亞的《哈姆雷特》中也描述了第谷超新星，描述者為第一幕第一場(chǎng)中名為伯納多的軍官。

事實(shí)上，這顆星在此前3天，即11月8日，就已經(jīng)被世界上多個(gè)國(guó)家的人發(fā)現(xiàn)了，這些國(guó)家中就包括中國(guó)。

明隆慶六年十月初三（1572年11月8日）夜，朝廷的天文官署（欽天監(jiān)）在天空東北方的壁宿發(fā)現(xiàn)一顆特別亮的客星（中國(guó)古代指天空中新出現(xiàn)的星，如新星、超新星、彗星等）。這顆客星出現(xiàn)時(shí)，有彈丸那么大，微微發(fā)光;19天后變?yōu)殚冱S色，光芒四射，有燈盞那么大，傍晚太陽(yáng)下山前就可以看到。這顆星于第二年農(nóng)歷二月才變暗，第三年農(nóng)歷四月才消失。

同時(shí)代的許多中國(guó)人看到過(guò)兩次這樣的事件。上面那是第一次，第二次發(fā)生在萬(wàn)歷三十二年九月乙丑（1604年10月10日）。欽天監(jiān)持續(xù)觀測(cè)到這顆客星，它如彈丸般大小，紅黃色，持續(xù)一年后才消失。

意大利北部人在中國(guó)人發(fā)現(xiàn)這顆新出現(xiàn)的星星之前一天（1604年10月9日）就首先發(fā)現(xiàn)了它。它位于蛇夫座。10月10日，一名布拉格人透過(guò)云層看到這顆新星，并告訴了天文學(xué)家開(kāi)普勒（1571—1630）。開(kāi)普勒苦等多天，等云層終于散開(kāi)后，他開(kāi)始了為期一年多的詳盡觀測(cè)。這顆星最亮?xí)r僅略暗于金星。

然而，這兩次并不是人類(lèi)關(guān)于明亮客星的最早記載。此前至少還有3次可靠的記載：

第一次是公元185年12月7日（東漢中平二年十月癸亥），在圓規(guī)座和半人馬座之間、靠近“南門(mén)二”星的地方出現(xiàn)了一顆客星，連續(xù)8個(gè)月可見(jiàn)。羅馬帝國(guó)的文獻(xiàn)可能也記錄了這顆星。據(jù)后代推算，這顆星最亮?xí)r達(dá)到金星亮度的幾十倍。

第二次是公元1006年5月6日（北宋景德三年四月戊寅），北宋的天文官署觀察記載了豺狼座出現(xiàn)的一顆耀眼的客星。它最亮?xí)r可以在夜間照出人影、分辨出物體。據(jù)推算，它最亮?xí)r達(dá)到了金星亮度的20～100倍，在夜間僅次于月亮。位于今天日本、伊拉克、埃及以及歐洲地區(qū)的人當(dāng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這顆突然出現(xiàn)的星。北美亞利桑那州巨人柱國(guó)家公園中的霍霍卡巖畫(huà)上畫(huà)的星體可能也是這顆星。這顆星在夜空中閃耀了1年又4個(gè)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），北宋的天文官署發(fā)現(xiàn)夜空金牛座位置出現(xiàn)一顆特別亮的客星——天關(guān)客星。它持續(xù)了近2年才消失，最亮?xí)r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?yàn)橘Y料挖掘不夠充分，國(guó)內(nèi)外很多人以為，古代西方人對(duì)東漢與宋代時(shí)期出現(xiàn)的客星沒(méi)有任何記載，這當(dāng)然是錯(cuò)誤的看法。但對(duì)這3顆特殊的客星，中國(guó)古籍中的記載是世界上最詳細(xì)的，其中對(duì)東漢時(shí)期發(fā)現(xiàn)的那顆客星，現(xiàn)存僅有的文字記載在中國(guó)古籍中（古羅馬文獻(xiàn)可能也有記載，但沒(méi)有保存下來(lái)）。

上面列舉的5次新星的共同特點(diǎn)是特別明亮，要么稍暗于金星，要么比金星更亮，甚至亮數(shù)十倍，更比其他絕大多數(shù)新星亮得多。

為什么看起來(lái)這么亮

為什么這幾顆新星特別亮？是因?yàn)樗鼈冸x我們特別近，還是因?yàn)樗鼈兊恼鎸?shí)亮度本就遠(yuǎn)超過(guò)其他新星？由于人們一直以來(lái)都無(wú)法確定地球與其他恒星的距離，因此，關(guān)于新星亮度的這個(gè)問(wèn)題便長(zhǎng)期無(wú)解。

即使如此，也有人根據(jù)M31星系中的新星現(xiàn)象，得到了一些線索。截至1923年，人類(lèi)觀測(cè)到了22次出現(xiàn)在M31星系的新星，其中有幾顆比其他新星亮得多，甚至幾乎可以用肉眼看到。不管M31距離我們多遠(yuǎn)，不管它在銀河系內(nèi)還是系外，它里面的新星與我們的距離幾乎都是一樣的。這就好比我們看遠(yuǎn)處的一群人，他們每個(gè)人與我們的距離也幾乎相同。那么就能說(shuō)明，M31中那些特別亮的新星，它們的亮度與距離無(wú)關(guān)，而是真的比其他普通新星亮得多。

美國(guó)天文學(xué)家柯蒂斯（1872—1942）曾提出，新星可分為兩類(lèi)，其中一類(lèi)會(huì)比另一類(lèi)亮得多。后來(lái)瑞典天文學(xué)家倫德馬克（1889—1958）也提出，新星有兩大類(lèi)，亮度高的是“巨新星”，亮度低的是“矮新星”。他還堅(jiān)信M31是銀河系之外的星系。如果M31是銀河系之外的星系，那么它距離地球就非常遠(yuǎn)，里面出現(xiàn)的幾顆最亮的新星的真實(shí)亮度是當(dāng)時(shí)所有理論都無(wú)法解釋的。

1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃（1889—1953）用M31中的造父變星測(cè)出了它與地球的真實(shí)距離，這個(gè)距離遠(yuǎn)超此前人們認(rèn)定的銀河系的大?。篗31確實(shí)是銀河系之外的巨大星系，而且比銀河系更大。

這首先意味著，M31中幾顆特別亮的新星，其真實(shí)亮度高到令人難以置信;其次，假設(shè)銀河系內(nèi)所有新星都發(fā)生在距離地球同樣遠(yuǎn)的地方，那古人看到的那些特別亮的新星可能都是同一類(lèi);最后，那些特別亮的新星看起來(lái)比其他大多數(shù)新星亮得多，是因?yàn)樗鼈兊牧炼却_實(shí)非常高，而不是因?yàn)樗鼈兣c我們距離更近。

那么，為什么有的新星可以亮到那個(gè)程度，它們又是怎樣產(chǎn)生的呢？

超新星的誕生：大質(zhì)量恒星與白矮星的毀滅

為了描述那些非常明亮的新星，瑞士天文學(xué)家茲威基（1898—1974）在1931年的一份講義中首次將“超級(jí)”（super）與“新星”（nova）連在一起，構(gòu)成名詞“超- 新星”（super-nova）。1934年，他與德國(guó)天文學(xué)家巴德（1893—1960）在論文中提出：大質(zhì)量恒星演化到末期，會(huì)將其中心壓縮成一個(gè)非常致密、幾乎完全由中子構(gòu)成的天體，質(zhì)量和太陽(yáng)差不多，半徑卻只有約10千米;這時(shí)，恒星表面的物質(zhì)就會(huì)被中子星反彈出去，產(chǎn)生超- 新星。1938年，這一名稱(chēng)被正式確立為“超新星”（supernova，簡(jiǎn)寫(xiě)為SN）。后來(lái)的理論證明茲威基與巴德是對(duì)的，確實(shí)有相當(dāng)一部分超新星來(lái)自大質(zhì)量恒星的爆發(fā)。

1960年，英國(guó)天文學(xué)家霍伊爾（1915—2001）與英國(guó)物理學(xué)家福勒（1911—1995）合作寫(xiě)了一篇論文，認(rèn)為有一些超新星來(lái)自白矮星爆炸。這個(gè)想法也沒(méi)錯(cuò)。現(xiàn)在的理論和觀測(cè)研究都表明：如果白矮星堆積物質(zhì)的速度太快而沒(méi)有及時(shí)噴發(fā)出去，就會(huì)迅速收縮、變熱，然后徹底炸毀自身，成為“熱核爆炸超新星”，對(duì)應(yīng)的分類(lèi)是Ia 型。兩顆白矮星并合在一起，也會(huì)爆炸成為Ia 型超新星。

望遠(yuǎn)鏡發(fā)明前人類(lèi)記錄的新星中，大約7個(gè)是超新星，其中5個(gè)已經(jīng)確定了類(lèi)型，只有1054年觀測(cè)到的那個(gè)是大質(zhì)量恒星坍縮后爆炸形成的，其他4個(gè)都是白矮星爆炸形成的。

Ia型超新星的亮度演化比較有規(guī)律。通過(guò)某些方法，科學(xué)家可以將眾多遠(yuǎn)近不同的Ia 型超新星的亮度演化曲線統(tǒng)一為同一個(gè)模板，定出其修正后的最亮值，這個(gè)值基本上是一樣的。利用這個(gè)性質(zhì)，可以將Ia 型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光（測(cè)量其他天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺），探測(cè)幾十億光年之外的距離。1998年，兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的小組據(jù)此推斷出遠(yuǎn)處的Ia型超新星比正常膨脹的宇宙模型給出的亮度低一些，據(jù)此判斷出宇宙在加速膨脹，進(jìn)而給出了暗能量存在的證據(jù)。

除了以上兩種爆發(fā)模式之外，可能還存在第3種超新星爆發(fā)模式：如果恒星質(zhì)量過(guò)大（130～250倍太陽(yáng)質(zhì)量），在中心聚變?yōu)檠鹾诵臅r(shí)，氧核心的溫度過(guò)高，使大量高能光子變?yōu)橹形⒆优c反中微子，后者逃逸出星體，導(dǎo)致星體收縮、溫度升高，最后徹底炸毀，這就是“不穩(wěn)定對(duì)超新星”。

超新星常見(jiàn)還是罕見(jiàn)

超新星的數(shù)量一直在迅速增長(zhǎng)。

在古代，人類(lèi)能夠看到并記錄下來(lái)的只有銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)。天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后，天文學(xué)家從每幾年發(fā)現(xiàn)一個(gè)超新星，到每年發(fā)現(xiàn)幾十、上百個(gè)超新星?，F(xiàn)在，天文學(xué)家每年能發(fā)現(xiàn)幾千個(gè)超新星。2022年，美國(guó)多個(gè)天文機(jī)構(gòu)合作主導(dǎo)的位于智利的8米口徑LSST 項(xiàng)目（Large SynopticSurvey Telescope，大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)SST）運(yùn)行之后，每年可以發(fā)現(xiàn)幾十萬(wàn)顆超新星。中國(guó)科技大學(xué)與中科院紫金山天文臺(tái)合作投資研發(fā)的位于我國(guó)青海冷湖的2.5米口徑WFST 項(xiàng)目（Wide Field Survey Telescope，大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)寫(xiě)為WFST）也于2021年開(kāi)建，建成后將在北半球發(fā)現(xiàn)大量超新星。

從這個(gè)角度看，超新星已經(jīng)并不罕見(jiàn)。但銀河系內(nèi)的超新星很罕見(jiàn)。

從望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后到現(xiàn)在的400多年間，人類(lèi)再也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)銀河系內(nèi)爆發(fā)的超新星。在這期間，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的超新星都在銀河系外，且唯一能夠用肉眼直接看到的是1987年觀測(cè)到的SN 1987A，它爆發(fā)于大麥哲倫星系。

據(jù)估計(jì)，銀河系內(nèi)每百年只能爆發(fā)幾個(gè)超新星。但這只是平均值，事實(shí)上，有時(shí)候在幾十年內(nèi)就可以觀測(cè)到兩個(gè)超新星，比如1006年與1054年，1572年與1604年;但有時(shí)候整整幾百年都觀測(cè)不到一個(gè)。我們難以觀測(cè)到銀河系內(nèi)的超新星，一方面是因?yàn)閿?shù)量確實(shí)稀少，另一方面是因?yàn)槲恢谩绻粋€(gè)超新星與地球之間隔著太多塵埃，它發(fā)出的光就會(huì)被塵埃大量吸收，最終無(wú)法到達(dá)地球，也就無(wú)法被我們觀測(cè)到。

我們都在盼望著能夠看到銀河系內(nèi)爆發(fā)的下一個(gè)超新星。它一旦爆發(fā)，并能夠讓人類(lèi)用肉眼看到，必將引發(fā)全世界的持久的觀測(cè)狂潮。

當(dāng)前，人們發(fā)現(xiàn)一些大質(zhì)量恒星已經(jīng)接近死亡，比如冬季大三角中的參宿四——獵戶(hù)座α 星。它是一顆紅超巨星，顏色紅、亮度高，也許再過(guò)幾十萬(wàn)年就會(huì)爆發(fā)為超新星，也許幾年后就會(huì)爆發(fā)為超新星，也許它已經(jīng)爆發(fā)成超新星，發(fā)出的光正朝地球飛來(lái)。由于恒星演化過(guò)程的復(fù)雜性，沒(méi)有人可以精確地計(jì)算它爆發(fā)的時(shí)間。假如它爆發(fā)為超新星，未來(lái)的人類(lèi)就無(wú)法在夜空中看到美麗的冬季大三角了，難免讓人覺(jué)得遺憾。

如果一顆離地球太近的恒星爆發(fā)為超新星，它發(fā)出的輻射就有可能破壞地球的大氣層。有人猜測(cè)，幾億年前地球上的幾次生物大規(guī)模滅絕，其中就有可能是由近距離超新星爆發(fā)引起的。不過(guò)，發(fā)生這么近的超新星爆發(fā)，概率是非常低的，我們大可不必?fù)?dān)心。

長(zhǎng)胡子的超新星：伴隨伽馬射線暴

1967年，美國(guó)的維拉號(hào)（Vela）軍事衛(wèi)星偶然探測(cè)到了持續(xù)幾秒的伽馬射線暴。冷戰(zhàn)時(shí)期，這些衛(wèi)星用于監(jiān)控蘇聯(lián)可能進(jìn)行的太空核試驗(yàn)所發(fā)出的伽馬射線。但分析很快排除了人工核試驗(yàn)的可能性，說(shuō)明這些爆發(fā)來(lái)自太空。這個(gè)結(jié)果在1973年公布后，引起了天文學(xué)界的廣泛興趣。這類(lèi)現(xiàn)象被稱(chēng)為伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，簡(jiǎn)寫(xiě)為GRB），簡(jiǎn)稱(chēng)伽馬暴。

此后，科學(xué)界相繼提出至少幾十種解釋伽馬暴的模型。1990年之后，最流行的幾種模型分別是：中子星與中子星碰撞、中子星與黑洞并合、大質(zhì)量恒星坍縮。1998年，人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)伽馬暴伴隨著超新星的可能證據(jù)。2003年，人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)伽馬暴伴隨超新星的鐵證，從而證明有一部分伽馬射線暴來(lái)自超新星。

能夠產(chǎn)生伽馬暴的超新星非常少，至今被確認(rèn)的不足100例。想要讓一顆恒星在爆發(fā)為超新星的同時(shí)產(chǎn)生伽馬暴，那就要求這顆恒星必須在爆發(fā)前失去外層的所有氫和絕大部分氦，還需要高速旋轉(zhuǎn)。即使一個(gè)超新星伴隨伽馬暴，如果爆發(fā)前的自轉(zhuǎn)軸沒(méi)有指向地球，它所發(fā)出的伽馬暴也無(wú)法被地球探測(cè)到。因?yàn)橘ゑR暴像噴泉一樣，具有強(qiáng)烈的方向性。

能夠產(chǎn)生伽馬暴的超新星非常少，至今被確認(rèn)的不足100例。想要讓一顆恒星在爆發(fā)為超新星的同時(shí)產(chǎn)生伽馬暴，那就要求這顆恒星必須在爆發(fā)前失去外層的所有氫和絕大部分氦，還需要高速旋轉(zhuǎn)。即使一個(gè)超新星伴隨伽馬暴，如果爆發(fā)前的自轉(zhuǎn)軸沒(méi)有指向地球，它所發(fā)出的伽馬暴也無(wú)法被地球探測(cè)到。因?yàn)橘ゑR暴像噴泉一樣，具有強(qiáng)烈的方向性。

超亮超新星和多種元素的反應(yīng)爐

一般的超新星的亮度可以達(dá)到太陽(yáng)的幾億到幾十億倍。但過(guò)去20年中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了100多個(gè)超級(jí)亮的超新星，它們的亮度可以達(dá)到太陽(yáng)亮度的幾百億甚至幾千億倍，被稱(chēng)為“超亮超新星”。

科學(xué)家認(rèn)為，超亮超新星與普通超新星的亮度很可能由不同的能源驅(qū)動(dòng)。普通超新星的亮度來(lái)自超新星合成的放射性鎳-56，而超亮超新星的能量可能主要來(lái)自中心致密天體的轉(zhuǎn)動(dòng)能，或者超新星物質(zhì)撞擊周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生的熱量。超亮超新星非常罕見(jiàn)，產(chǎn)生概率是普通超新星的0.1%左右：每發(fā)現(xiàn)幾千個(gè)超新星，才有可能從中發(fā)現(xiàn)幾顆超亮超新星。

這里就涉及一個(gè)關(guān)于元素產(chǎn)生的問(wèn)題。對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，宇宙中的元素與地球上的元素來(lái)自何方，是一個(gè)長(zhǎng)期受關(guān)注的課題。

大爆炸宇宙學(xué)表明，大爆炸之后能夠產(chǎn)生氫、大部分氦、少部分鋰、極微量鈹，此外再無(wú)法產(chǎn)生其他任何元素。另一方面，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓（1882—1944）早已提出，恒星內(nèi)部的聚變反應(yīng)不僅會(huì)釋放能量，還會(huì)合成多種元素。此后，霍伊爾、福勒和美國(guó)物理學(xué)家貝特（1906—2005）等人先后發(fā)展了恒星內(nèi)部核合成理論。這個(gè)理論后來(lái)在伯比奇夫婦——美國(guó)天文學(xué)家瑪格麗特· 伯比奇（1919—2020）、英國(guó)天文學(xué)家杰弗里·伯比奇（1925—2010）——福勒與霍伊爾合寫(xiě)的一篇論文“Synthesis ofthe Elements in Stars”（《恒星中的元素合成》）中得到完整發(fā)展。這篇文章成為恒星物理學(xué)的指標(biāo)性論文，也被稱(chēng)為“B2FH 論文”（論文4位作者姓氏首字母的組合）。人們因此確知，沒(méi)有銣重的中等質(zhì)量元素大都來(lái)自恒星內(nèi)部的核聚變。

如果恒星在沉默中死去，那么這些元素將永遠(yuǎn)留在恒星內(nèi)部，不會(huì)拋灑到太空。但由于超新星爆發(fā)，白矮星里堆積的碳、氧，以及大質(zhì)量恒星里堆積的碳、氧、氖、鎂、硫、磷等大量元素被拋入太空。同時(shí)，超新星爆發(fā)還會(huì)合成大量硅以及比硅重、比銣輕的元素。也就是說(shuō)，超新星的爆發(fā)會(huì)將其在爆發(fā)前與爆發(fā)后合成的元素全部拋向太空，摻入周?chē)姆肿釉浦?，有的?huì)化合成水和各類(lèi)有機(jī)物，有的則凝聚成大小不一的無(wú)機(jī)物塵埃。

我們都是星塵

大約46億年前，宇宙中的某處分子云在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，緩慢收縮、升溫。隨著時(shí)間的推移，分子云中心的氫最終聚集為一個(gè)熾熱的火球。分子云中的水被蒸發(fā)后升到外部，與原本在外圍的塵埃聚集，成為一個(gè)個(gè)巖土塊，巖土塊互相碰撞，黏在一起后形成更大的巖土塊。這樣的碰撞過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，最終形成圍繞中心火球轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)巨大行星和無(wú)數(shù)個(gè)小行星。而火球中心也達(dá)到了足夠的溫度與壓強(qiáng)，啟動(dòng)了核聚變，成為一顆恒星。這個(gè)火球就是我們的太陽(yáng)，上面說(shuō)的多個(gè)巨大行星中的一個(gè)就是我們的地球。

在地球形成之后，海洋里開(kāi)始產(chǎn)生生命，并逐步向各種低級(jí)與高級(jí)的形態(tài)進(jìn)化，最后進(jìn)化出人類(lèi)。包括人類(lèi)在內(nèi)的各類(lèi)生命體中的幾乎所有元素，都來(lái)自地球，而地球上的元素，除了氫、氦、鋰等輕元素與金、銀、鈾、稀土等重元素，大部分都來(lái)自超新星噴發(fā)出的物質(zhì)。至于宇宙中與地球上的重元素，它們大多來(lái)自中子星的碎片，而中子星本就是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。所以，可以說(shuō)大部分重元素也是超新星的間接產(chǎn)物。

追本溯源，我們就會(huì)知道，占我們身體重量約70% 的水，其中的氧大部分來(lái)自超新星爆發(fā)后拋出的氧;我們血液中不可缺少的鐵，幾乎全部來(lái)自超新星爆發(fā)后合成的鎳-56（鎳-56在衰變后會(huì)迅速形成穩(wěn)定的鐵元素）。

如果沒(méi)有超新星爆發(fā)拋出的物質(zhì)，幾十億年前的那團(tuán)分子云雖然還是會(huì)形成太陽(yáng)，但太陽(yáng)的周?chē)粫?huì)形成任何巖石行星，當(dāng)然也不會(huì)有我們的地球，自然也不會(huì)有人類(lèi)：人類(lèi)依托地球生存，人類(lèi)身體的大部分物質(zhì)本就是超新星制造或者噴發(fā)出的物質(zhì)。

“We are all stardust（我們都是星塵）.”美國(guó)天文學(xué)家卡爾·薩根（1934—1996）如是說(shuō)?？吹竭@里，你想必已經(jīng)明白了這句話中的含義。