超新星:元素的创造者 没有它们就没有我们
2022-07-26 00:44:34  作者:sillybird 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

【参宿四】

超新星——一颗巨恒星的死亡,宇宙中最壮观的事情之一,巨大的爆炸能够照亮整个宇宙。

巨恒星的生命挥霍地很快,死得也很早,在恒星的核心内部温度和压力都是巨大的。恒星中心温度的内部温度可以达到10亿度。

它是一颗滴答作响的定时炸弹,一颗巨大恒星的生命中最后几分钟,是难以形容的能量爆炸,是我们在宇宙中看到的最具灾难性的事件。它的亮度比构成银河系的数千亿颗恒星的总体亮度还要亮!

然而,这些恒星的死亡同时也是生命演化的关键。我们的存在离不开超新星,可以说,没有超新星,我们就不会存在。

当然,不是每颗恒星都有资格成为超新星的,想要成为超新星,科学家们认为它的质量至少要比我们的太阳大8倍。

太阳主宰着我们的太阳系,所以我们很容易把太阳想象成一个难以置信的巨大物体,但是如果我们的太阳与宇宙中其他一些巨大的恒星相比绝对是很小的。

超新星:元素的创造者 没有它们就没有我们
恒星尺寸比较

有一些巨大的恒星,我们肉眼也能看到。在夜空中有一颗亮度排第十星星,它是一个红色超巨星,大约是太阳质量的15倍,那就是——参宿四。

参宿四非常巨大,如果把它放在我们的太阳系里,它会延伸到木星的轨道上。它是银河系中最大的“猛兽”之一,同时也是一颗濒临死亡的恒星。

参宿四的年龄不到1000万年,它马上就要爆炸了。一旦发生,我们将看到天空的一片区域在14天内变亮,直到它几乎和满月一样亮。这将是历史上最壮观的表演之一。

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参宿四爆炸时天空的景象想象图

而且,它随时都可能发生!也就是说,在夜晚,当我们抬头看猎户座,看到参宿四,说不定你能就看到它爆炸了。

那么是什么让参宿四变成超新星呢?

【超新星的生命过程】

要了解一颗巨恒星的死亡,我们就需要了解它的生命过程。从诞生到死亡,一颗恒星的生命就是一场永不停息的战斗。

重力不断地向内拉,而能量却不断向外推,在恒星的内部正在将无数个原子核融合在一起。原子相互撞击,距离非常非常接近,如果它们离得足够近,它们就会粘合在一起,形成一个更大的原子,同时产生巨大的能量。

一颗巨恒星每一秒钟就会聚变75亿吨的氢。这个能量大约相当于,每秒1000亿颗原子弹。这绝对是一个巨大的爆炸。

这种爆炸性的能量可能会把恒星给炸开,但恒星自身巨大的引力就像有个盖子给盖住了。

可以这么说,宇宙中的一切都是向内的引力与向外的压力或能量之间的战争。天空中的每一颗星星,甚至我们的太阳都是一个令人难以置信的动态战场。

在很多方面,恒星实际上是一种大到无法炸开的爆炸,是引力将其凝聚在一起。这两种对立力量的战争决定了恒星的生与死。

这就是尺寸的重要性所在,恒星质量越大,向内的引力就越大,同时恒星向外的推力也就越大,以维持自身的生存。

非常大的恒星就像服用了类固醇的恒星,它们有很多燃料可以燃烧。它们的能量非常巨大,以至于它们以极快的速度耗尽燃料。

像参宿四这样的大质量恒星是巨大的工厂,这个工厂将较轻的元素融合成较重的元素,但最艰苦的工作要到它们的最后几年才开始。

在它们生命的90%时间里,它们将氢聚变成氦,但最终,氢开始耗尽。在超巨星的核心有一系列的聚变过程,从较轻的元素到较重的元素,并且聚变的速度越来越快,死亡倒计时开始了。

来自引力的向内推力起了作用,提高了内核的温度,氦开始聚变成碳。由于恒星核心有足够的氦,所以可以维持一百万年。当然,相比于整个恒星的生命周期,这个时间还是很短的。

所以氦也会很快用完,然后核聚变开始加速,碳被熔合成氖。这需要大约1000年的时间。

接下来就是氖聚变成硅,这大约需要一年的时间。一旦开始将硅熔化成铁,这只需要一天的时间。

此时的恒星已经变得越来越疯狂,这有点像一个烹饪比赛节目,随着时间的流逝,他们想做的事情越来越多,他们会变得越来越手忙脚乱,直到,叮,时间到了。

正当这颗恒星正处于垂死挣扎之中,一旦铁的生产开始,这颗恒星的“丧钟”就敲响了。

一个巨大的铁球在垂死的恒星的中心形成,这个铁球直径达几千英里,温度高得令人难以置信。在恒星中心的温度可达到10亿度。

这种高温是由核聚变反应引起的,越来越多的反应产生越来越重的元素。每一步,产生的能量越来越少,直到产生铁。

当试图融合铁核时,核聚变反应不但不会再产生能量,而且还会吸收能量所以一旦核心开始聚变铁,它基本上就在窃取自己的能量。不断增长的铁核从恒星中吸收越来越多的能量,而与此同时,引力仍然在向内拉。

也就是说,本来恒星就是靠着核心的核聚变反应生产的能量在维持平衡,而现在,聚变铁时,不但不帮着恒星对抗引力,反而助纣为虐,对恒星进行反戈一击。

于是整个恒星的核心被挤垮了,这颗星注定要灭亡,引力获胜最终胜利。铁芯的边缘崩塌了,数万亿吨的高密度铁以1/4的光速向内坠落。这颗恒星现在只剩不到一秒的生命了。

事情很快就会分崩离析,核心坍缩的速度是如此之快,以至于恒星的外层甚至没有时间做出反应 它们就挂在那里。

这有点像你手上托着一个东西,突然你把手抽走,你手上的东西不会立即掉下去。

接着恒星的其余部分坍塌了,一亿亿亿亿吨的气体随着铁向内喷射,最终引发了宇宙中最剧烈的爆炸。壮观的致命一击,可以使星系中所有的星星都黯然失色。

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爆炸的超新星

【抓住超新星】

但有一个问题,科学家们仍然不能完全理解:一个坍塌的铁球和大量下降的气体是如何形成一个巨大的火球的?

这个崩塌的内核是如何引发大规模爆炸的,这是天体物理学中最大的谜团之一。

这涉及到一些人类已知的最复杂的天体物理学,而科学家们却并不完全了解。

这个过程的细节,科学家们遗漏了一些东西。

因为我们发现超新星几乎总是太迟了,之所以这么说,是因为当你看到的是恒星变亮,这是在事件发生后才看到的。

所以现在的关键不是找到一颗超新星,而是找到我们称之为爆发的时刻。这次爆发是一颗巨星的死亡之声,这是核心坍塌后的那一刻。

当恒星在一束巨大的可见光闪光中爆炸,在整个天文学历史上,这一时刻只被捕捉过两次——一次是由美国国家航空航天局价值数百万美元的太空望远镜开普勒拍摄的; 另一次是由一个非常幸运的阿根廷业余爱好者拍摄的。

有个业余天文学家叫维克多·布索,他院子里的天文台里有一个很好的望远镜,他不停地拍摄着恰巧在他头顶上的同一个星系的照片。

他只是碰巧看到了,天空中正确的区域,幸运的是,他捕捉到了超新星爆发的冲击波。抓住这个时刻的机会是千万分之一。维克多捕捉到的是冲击波到达表面的瞬间。他真的很幸运。

维克多注意到这个斑点,出现在他的照片上。意识到自己捕捉到了一颗爆炸恒星发出的第一道闪光,他提醒了全球的专业天文学家。

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维克多抓拍到的超新星爆发的冲击波

天文学家Alex Filippenko和他的团队监测了这颗恒星发出的越来越亮的光。

他们在研究buso超新星发出的光时发现,当一种冲击波,一种穿过恒星的超音速波从表面爆发出来时,这个物体会在短时间内迅速变亮。当它到达边缘时,巨大的能量被释放为巨大的闪光。

这是令人震惊的时刻,巨大的冲击波以每小时近三万英里的速度传播,穿过恒星的表面,并把它撕成碎片,然后起爆。

科学家们在地球上看到了爆炸产生的冲击波,它们可以穿越气体、液体和固体包括塌缩恒星的外层。

观察到冲击波到达恒星表面的过程非常重要,因为维克多成功地捕捉到了一颗恒星变成超新星的瞬间,这是一个科学宝藏。

爆炸的冲击波就像宇宙中的金粉,昙花一现,只持续了20分钟——这在天文学的时间尺度上只是一眨眼。

【超新星爆炸之谜】

但是什么引发了冲击波呢?这只是一个反弹的问题吗?

超新星的冲击波,也许可以用篮球来解释。

关于一颗爆炸的恒星,核反应会在核心中发生,然后外层会以极高的速度向内核坠落,然后它会反弹。

恒星的结构给了它非常多的能量,当垂死的恒星燃烧它的燃料时它产生了不同的元素层——核心是重铁,上面是一层层较轻的元素。

所以,假设只有一层,就有一个反弹,就像扔一个球到地上,它反弹得不高。

但假设它像恒星一样排列,重的在底部,轻的在顶部。就会如下图一样,网球就会弹得非常高。

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反弹原理

这是因为篮球弹跳的能量向上转移了。

同样的事情也会发生在坍塌的恒星中,但是会有更多的层,所有不同的元素都向内坍塌,较重的层首先撞击致密的内核,将能量传递给较轻的内核,这就产生了冲击波。

但这种能量不足以将冲击波一路推到恒星外。

问题是,当科学家们用计算机模型仔细观察时,发现它不起作用,冲击波似乎停止了。计算机的模拟结果,无法让恒星爆炸。

五十年来,科学家们都不知道问题出在哪里。科学家们怀疑其中有其他原因。像参宿四这么大的恒星死亡时,它的爆炸会发出冲击波在太空中能传播数万亿英里。但这些冲击波是如何产生的几十年来一直困扰着科学家。

科学家们认为,应该是来自恒星内核的一种全新的能量来源,能够真正导致恒星最终分裂的东西。

科学家们怀疑这种能量来自一种神秘的粒子,叫做中微子。

中微子是一种对我们来说仍然有点神秘的基本物理粒子。它们几乎就像幽灵一样,它们会穿过我们身体却不会接触到我们。

很像光的粒子,光子。但与光子不同的是,中微子不带电荷,它们可以穿过恒星、行星和我们。

那么它们是从哪里来的呢?科学家们猜测恒星本身就是这个源头。

在恒星核心的中间,正在产生一种叫做中子星的东西——一种神奇的、超压缩的物质球。直径只有大约16公里左右。

当恒星的铁核坍塌时原子被挤压在一起,质子和电子被迫结合而形成中子,这个过程释放出大量的中微子。

尽管中微子是宇宙中最丰富的粒子之一,但众所周知,它很难被探测到。

但在1987年,科学家们非常幸运,他们得到了一份绝妙的礼物。附近星系的一颗大质量恒星变成了超新星。

这是大约400年来第一颗肉眼可见的超新星。科学家们有很多的望远镜用来研究它的电磁波谱。

但是1987年的超新星引发了另一个科学仪器——一个隐藏在日本一座山下深处的中微子探测器。

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山下深处的中微子探测器

这是与超新星有关的中微子爆发,这只是一个奇妙的惊喜,一个美妙的额外奖励。

这是超新星发射中微子的确凿证据。

可能中微子像个幽灵,它们不会轻易地从坍塌的恒星内核中缓慢地漂移出来,他们必须以爆发的形式才能出来。

超新星爆炸内部的神奇之处在于它的密度足以捕获中微子,突然之间,就有了压力。

当科学家们在计算机模型中加入中微子的压力时,冲击波离核心越来越远。然而,超新星仍然没有爆炸。

还需要一个因素——无序。

因为恒星是圆的,所以人们很容易认为超新星爆炸也会是圆的。但是超新星并不完全对称,来自冲击波和中微子的能量是混乱的。会以一种不可预测的方式加热气体。它们引起热气泡上升,然后下降,再上升,再下降。

这是一种沸腾的运动,这给气体带来了大量的湍流。

于是,研究人员把所有的成分都加到一台超级计算机上,然后让它运行。

当冲击波离开核心的时候,它会在上面坠落的元素中产生微小的涟漪,涟漪变成了巨大的晃动的波浪,中子爆发出的中微子,加热了上面的元素层,导致它们起泡和上升。

最终,高温与这些剧烈运动产生的压力结合在一起,将冲击波像星际海啸一样喷发出来,将恒星粉碎成碎片。

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计算机模拟结果

事实证明,恒星确实会爆炸,大自然知道它在做什么。刚开始计算机模型,太简单了,所以超新星无法爆炸。一旦模型变得更加复杂,就要开始考虑恒星的所有维度,超新星模型就会开始爆炸。

冲击波穿过了所有组成大质量恒星的元素层,只要几个小时就能到达外缘,并触发第一道闪光。

【仙后座“a”】

但这道闪光只是超新星的开始,这场壮观的灯光秀才刚刚开始。

关于超新星的一个有趣的事情是,当恒星爆炸时,它不会立即达到最大亮度。这需要几天甚至几周的时间。

第一道闪光是超新星爆炸的一部分,这道闪光将成吨的物质喷射到垂死恒星周围的太空中。但正是这些喷射出来的碎片让超新星发光,它们的发光程度往往比爆炸本身还要亮。

重元素是在大质量恒星的核心内部形成的,但更重的元素是在爆炸本身的事件中形成的。

当恒星撕裂的时候,温度和压力都是巨大的。曾经构成恒星层的元素融合在一起,然后创造出更重的元素。其中一些是有放射性的,这些放射性元素的衰变实际上就产生了光。

这使得它在更长的一段时间内,拥有更多的亮度。这片明亮闪亮的物质云,可以持续数月甚至数年。这些超新星残骸像宇宙烟火一样照亮了宇宙。

这些通常都是夜空中非常美丽的东西。但这些并不只是漂亮的灯光秀,它们对星系和恒星系的演化起着至关重要的作用。

一些必要的成分,比如硫,磷以及碳和氧。它们都是建造一个像地球这样的岩质行星所必需的元素。这些元素也只能在大质量恒星内部形成,并且只能通过超新星爆炸传播。

美国宇航局的钱德拉太空望远镜研究了银河系中最著名的天体之一——超新星遗迹仙后座 “a”。

仙后座 “a”是一个相对年轻的超新星残骸,甚至还不到400年。自从仙后座 “a”爆炸后,一直在扩大。现在它的直径是29光年,利用x射线,钱德拉太空望远镜观察了这片巨大星云的内部。

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仙后座“a”

科学家们发现,这次事件喷出的物质,创造了比地球质量大几万倍的重要物质。70000倍地球质量的铁,还有100万倍地球质量的氧气。这些元素对生命,对地球,对我们都很重要。

所以说,我们血液中的铁,骨骼中的钙,都是在数十亿年前超新星爆炸中形成的。

这项新研究揭示了,更不寻常的事情。仙后座“a”也拥有构成生命的元素。

科学家们在那颗超新星残骸中看到了DNA所必需的每一个原子。我们的DNA分子是由曾经存在于大质量恒星核心的物质组成的。

【僵尸恒星】

几千年来,人类一直对天空中出现的明亮的新星感到好奇。随着不断的观察到超新星,科学家们发现,并不是所有的超新星都是一样的,它们有很多种。

有些是白矮星从一个双星中窃取物质,然后变得非常大,最终导致爆炸的结果。

除此之外,所有其他超新星,都是在自身引力作用下坍缩的大质量恒星。

科学家们还根据是否存在氢,对超新星进行了分类,把超新星分为I型或II型。

如果把来自超新星的光分解成不同的颜色,就得到了它的光谱。如果光谱中有氢的特征,那就是II型超新星。如果缺氢,那就是I型。

或许你会认为,既然科学家已经对超新星进行分类了,那么一定对超新的研究的差不多了。然而,事实上并没有。超新星还有很多未知之谜。

2014年9月,一颗超新星出现在大熊星座,明亮光持续了600天。当科学家们检查记录时,他们发现60年前,在同一地点发现过一颗超新星。

一颗恒星似乎在一次又一次地死亡。这颗特别的恒星是科学家们以前从未见过的。它看起来很奇怪,在几年的时间里,它实际上变亮和变暗了大约五次。

从总能量的角度来看,每一次的增亮都可以称得上是一颗超新星。这颗超新星似乎永远不会消亡。

那么这怎么可能在同一颗恒星上一再地发生呢?一颗恒星怎么会有多次死亡呢?这真的像是一个僵尸恒星。

经过研究,科学家们认为,答案就在于其庞大的规模。

这颗恒星,是一颗非常大的恒星,大约是太阳质量的100倍或更多。这是一颗恒星在不分裂的情况下的最上限。

这颗恒星是如此之大,以至于核心的反应非常惊人。这些高能的反应,产生的不仅仅是元素,同时产生了伽马射线。

伽马射线是你能想象到的最具能量的光,是伽玛射线的巨大能量支撑着垂死的恒星,对抗着向内推的引力。

但它也影响着伽玛射线本身,超过一定能量的伽马射线,会做出一些奇怪的事情:它们可以把自己变成物质

我们都知道,物质可以转变成能量,这就是原子弹与氢弹的原理。爱因斯坦的质能方程让我们知道了,质量能转变成非常多的能量。

事实上,这个过程也可以逆向的。即能量也会转变成物质。科学家们所说的宇宙大爆炸就是整个宇宙是由一个纯能量点在一个巨大的爆炸中产生的。

所以这个过程同样发生在这颗巨大恒星的核心,这种转变影响了恒星核心引力和能量之间的微妙平衡。核心开始崩塌,当它坍塌时,会产生更多的能量,这种能量从恒星的外层泄漏出来。

于是,我们突然间看到了变亮的恒星。它会多次变亮或变暗,每次都会释放一些物质,但不会完全爆炸。这几乎是超新星级别的能量,这就是一开始愚弄天文学家的原因。

最终,脉搏停止了,恒星平静了下来,准备再活一些时候。天文学家仍然不知道这颗“僵尸”恒星是否已经最终死亡。

【“变色龙”超新星】

但这并不是唯一一颗让科学家们挠头的神秘超新星。超新星 sn 2014c同样让科学们感到奇怪。

当 sn 2014c 第一次被发现的时候,氢并不存在,所以它最初被归类为I型。

但后来,氢突然出现了,科学家们意识到,这实际上是II型。这是一种变色龙超新星,从I型,不含氢到II型,充满氢。

超新星是如何从没有氢变成有氢的?

变色龙超新星让科学家们很困惑,直到他们用核星x射线望远镜观察它时,才揭示了这颗恒星为什么会喷发出大量的氢。

那次喷发大量的氢,并非发生在超新星爆发期间,而是几十年前的事。这颗恒星质量很大,相对来说也不稳定。大约在一个世纪前,它经历了一次爆炸——没有大到成为超新星。

但它排出了恒星中所有的氢,所以它是I型。然后恒星又爆炸了,超新星喷发出的气体,撞向了恒星爆炸前排出的氢。一旦喷射出的气体撞进去,就会导致氢气发光,然后科学家们在光谱中看到了氢,所以它变成了II型。

科学家对超新星了解得越多,它们就变得越复杂。科学家们认为,可能还有未被发现的超新星。

【恒星的生死循环】

一颗巨恒星的死亡——它不仅仅是一场史诗般的爆炸,同时它又是释放了形成我们周围宇宙的元素风暴。

宇宙中有一个奇妙的生死循环。每一颗恒星都是从诞生,然后过着自己的生活最后死去。当它们死亡时,它们用新的原子和新的化学物质丰富了宇宙。这些物质继续形成新的恒星和新的行星。

从爆炸中吹出的尘埃形成了壮观的星际云——星云。而星云是恒星的摇篮,包括我们的太阳系。

科学家们拥有确凿的证据证明我们的太阳系是从超新星的灰烬中诞生。

首先超新星爆炸时,会产生了一些非常罕见的放射性元素。而这些放射性元素我们今天仍然可以在太阳系中看到。

而且在我们的星球上随处可见,并且只在超新星中产生。这证明了地球和太阳系是由46亿年前爆炸的恒星产生的。

而且超新星对地球的影响不只是在诞生之前,在地球的整个生命周期中,同样会不时地影响着地球。

科学家们有一些证据表明大约在250万年前,曾发生过一次特殊的超新星爆炸。这次爆炸使地球上沉积了一种特殊的铁——铁60。

这种放射性元素是超新星爆发时产生的。在这个时期的化石中发现有很多铁60的元素,它们嵌在地球的地壳中。

而250万年前,地球上的生命发生了巨大的变化。非洲大部分的森林被草原所取代,各种植物和动物灭绝,许多新的物种出现了。

但是,超新星是如何在不彻底毁灭地球的情况下如此戏剧性地改变地球上的生命的呢?

关键就是距离。超新星爆炸时会产生大量的伽马射线,超新星中的一些难以置信的能量就以伽马射线束的形式离开恒星。如果这颗超新星离地球足够近,那束射线指向地球,那么臭氧层就会受到损害。

臭氧层破坏会引发基因突变,并引发不同形式的植被,从而杀死海洋中的藻类。突变驱动着所有生命形式的进化,从最简单的到最复杂的。

所以可以想象,由于一颗相对较近的超新星的爆发引发突变导致了产生早期人类,和后来的智人。这实际上影响了地球上生命的进化,尤其是人类。

所以超新星虽然具有非常暴力的一面,但是在太阳系的形成过程中,以及我们人类的形成过程中有很多步骤都与超新星密切相关。

它们创造了化学元素,甚至可能促进了我们的进化。所以还是那句话,如果没有爆炸的恒星,我们很可能就不存在了。从某个角度上讲,我们每个人都是一颗死亡的恒星所变成的。

这些史诗般的爆炸,正在揭开我们存在的最大的谜团。超新星的故事随着每一个新发现而变得更加有趣和复杂。

我们每个人都要感谢超新星,但现在还是请你离我们远一点。

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