26歲的超新星

北辰

超新星的英文名稱為Supernova，nova在拉丁語(yǔ)中是“新”的意思，這表示它在天球上看上去是一顆新出現(xiàn)的亮星（其實(shí)它原本就已存在，只是因亮度增加而被認(rèn)為是新出現(xiàn)的）。

根據(jù)估算，在如銀河系大小的星系中，超新星爆發(fā)的概率約為50年一次，這顯然是一個(gè)小概率事件。不過(guò)，由于人們已經(jīng)能觀測(cè)到很多河外星系，因此每年都能知曉相當(dāng)多的河外超新星事件。它們不僅為星際空間提供了豐富的重元素物質(zhì)，同時(shí)，其產(chǎn)生的激波也會(huì)壓縮附近的星際云，這是新的恒星誕生的重要啟動(dòng)機(jī)制。

不過(guò)縱觀歷史，人們用肉眼直接觀測(cè)到并記錄下來(lái)的超新星事件并不多，目前也只有6顆。其中，在1987年被人們發(fā)現(xiàn)的那顆超新星尤為特別。

來(lái)自天空的信使穿透地球

在日本岐阜縣，深達(dá)1000米的地下有一個(gè)圓柱形大容器，容器里面裝載的是純水，它就是超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-Kamiokande），可以探測(cè)到來(lái)自宇宙深處的中微子。探測(cè)中微子是一項(xiàng)很乏味的工作，而且長(zhǎng)期以來(lái)并沒(méi)有什么進(jìn)展。但在1987年2月23日，這個(gè)探測(cè)器突然接收到了來(lái)自宇宙深處的中微子，純水中的那些光電管發(fā)出了11次閃光，它示意科學(xué)家，有中微子闖入了探測(cè)器……值班人員迅速將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了太空，但很遺憾，他們并沒(méi)有找到什么特別的目標(biāo)。

與此同時(shí)，世界其他地方的探測(cè)器也接收到了中微子信號(hào)，美國(guó)的探測(cè)器接收到了8個(gè)中微子，俄羅斯則接收到了5個(gè)中微子。可惜的是，他們也沒(méi)有在天空中找到目標(biāo)。

不過(guò)，這三個(gè)探測(cè)器幾乎是同時(shí)接收到中微子的，中微子爆發(fā)歷時(shí)少于13秒。這表明，宇宙深處確實(shí)發(fā)生了某件特別的事情。

次日，在位于南半球的智利，有兩位天文學(xué)家正在觀測(cè)大麥哲倫星云，他們竟然發(fā)現(xiàn)了一顆超新星。同日，在南半球的新西蘭，阿爾伯特·瓊斯也觀測(cè)到了這顆超新星。

這則消息在學(xué)術(shù)界迅速傳播，那些中微子探測(cè)器的值班員們恍然大悟，他們要尋找的目標(biāo)就是這顆超新星，是它的爆發(fā)導(dǎo)致了探測(cè)器的中微子流。

原來(lái)，之所以沒(méi)能找到目標(biāo)，是因?yàn)樗麄兌荚诒卑肭颍瑹o(wú)法看到南半球的星空。而且，他們也忽視了中微子的一個(gè)重要特性：中微子具有極強(qiáng)的穿透性，那些中微子從地球的另一面而來(lái)，它們穿透地球來(lái)到了北半球，來(lái)到了中微子探測(cè)器中。

這個(gè)導(dǎo)致中微子流的超新星被科學(xué)家命名為1987A，在中微子流爆發(fā)之后的三個(gè)小時(shí)，它的光就來(lái)到了地球，可惜那個(gè)時(shí)候，位于南半球的天文學(xué)家并沒(méi)有注意到。

中微子被稱為微觀世界的“隱身人”，任何物質(zhì)也休想阻擋它們前進(jìn)的步伐。超新星爆炸之后，碎片彌漫了周圍的宇宙空間，阻擋了光的到來(lái)。但是，中微子卻無(wú)視這些碎片，它們是宇宙中最可靠的信使。它們穿過(guò)碎片和塵埃，一往無(wú)前地飛奔，向外界報(bào)告這個(gè)重大的變化。

人類的中微子探測(cè)器就是為了迎接這個(gè)宇宙信使而準(zhǔn)備的，它讓我們能夠得知宇宙深處的情況。超新星1987A的發(fā)現(xiàn)過(guò)程表明，中微子確實(shí)是最忠實(shí)的信使。

1987A爆發(fā)前后對(duì)照

戴上了“珍珠項(xiàng)鏈”

在超新星1987A爆發(fā)的時(shí)候，哈勃望遠(yuǎn)鏡還不存在。1990年，當(dāng)它升上天空之后，科學(xué)家立即就想到讓這個(gè)人類最了不起的眼睛，完成最重要的工作——好好看看這顆超新星的模樣。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于1994年拍攝的照片顯示，1987A就像一個(gè)圓環(huán)，當(dāng)然這個(gè)圓環(huán)并不稀奇，它應(yīng)該早就存在。科學(xué)家認(rèn)為，超新星在爆發(fā)以前是一顆藍(lán)色的超巨星，大約在兩萬(wàn)年前，藍(lán)超巨星的表面發(fā)生了氣體膨脹，這些膨脹的氣體在它的周圍形成了一個(gè)氣體環(huán)，但由于這個(gè)氣體圓環(huán)不夠明亮，所以我們看不到它。

在超新星爆發(fā)的時(shí)刻，爆發(fā)產(chǎn)生的猛烈激波會(huì)向周圍急速擴(kuò)展，沖在最前面的激波到達(dá)氣體環(huán)的時(shí)候，就會(huì)與那里的物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，從而出現(xiàn)一個(gè)個(gè)熱斑。這些熱斑具有較高的亮度，也就成為了亮點(diǎn)，隨著更多的激波到達(dá)氣體環(huán)內(nèi)側(cè)，更多的亮點(diǎn)也隨之產(chǎn)生。它們的溫度從幾千到幾十萬(wàn)攝氏度不等，氣體環(huán)中的這些亮點(diǎn)一個(gè)個(gè)連接起來(lái)，就像是一條珍珠項(xiàng)鏈。

當(dāng)然，這條“項(xiàng)鏈”的形狀并非一成不變的，在未來(lái)的幾年里，隨著更多激波能量的到達(dá)，整個(gè)環(huán)里的物質(zhì)都會(huì)發(fā)光，到那時(shí)，點(diǎn)點(diǎn)“珍珠”也就消失了，它們會(huì)連成一個(gè)完整的環(huán)。

美國(guó)哈佛-史密森天體物理中心的羅伯特·科什納感嘆說(shuō)：“我們過(guò)去簡(jiǎn)單地認(rèn)為，超新星的爆炸輪廓是呈圓形的，但超新星1987A的爆炸碎片殘骸其實(shí)是呈橢圓形分布的。而且，飛速噴濺的碎片正在撞入數(shù)千年前形成的氣體環(huán)中。”

不少科學(xué)家認(rèn)為，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的1987A“珍珠項(xiàng)鏈”照片，是其迄今最具有藝術(shù)魅力的作品，也是我們通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡絕對(duì)無(wú)法看清楚的。至此，哈勃望遠(yuǎn)鏡就養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣：它幾乎每年都要給1987A拍攝一張照片，讓科學(xué)家好好研究這顆超新星。

迷霧中的三環(huán)超新星

不過(guò)，1987A絕不僅有這一條“珍珠項(xiàng)鏈”，經(jīng)過(guò)追蹤觀察，科學(xué)家漸漸發(fā)現(xiàn)了它的不尋常之處：在“項(xiàng)鏈”的外側(cè)，還有兩個(gè)環(huán)。也就是說(shuō)，這個(gè)超新星被三個(gè)環(huán)包圍著，這讓天文學(xué)家十分費(fèi)解。他們?cè)噲D對(duì)這三個(gè)環(huán)的形成原因做出解釋，但所有的理論似乎都難以自圓其說(shuō)。

來(lái)自日本九州大學(xué)的田中高史教授和湘南工科大學(xué)的鷲見(jiàn)治一教授認(rèn)為，這些環(huán)的形成也許是引力和磁場(chǎng)共同作用的結(jié)果。他們對(duì)此做了一些嘗試性的解釋，并使用計(jì)算機(jī)演示了整個(gè)過(guò)程。他們說(shuō)：“中間的這個(gè)環(huán)是最早形成的，在這個(gè)環(huán)的上面和下面，分別受到引力和磁場(chǎng)的影響，引力把環(huán)剝離，在中間環(huán)的南極和北極分離出另外兩個(gè)環(huán)。”

盡管他們的計(jì)算機(jī)成功演示了這個(gè)過(guò)程，但這其中依然有很多問(wèn)題無(wú)法解釋。畢竟，1987A出現(xiàn)的歷史太短了，人類的科學(xué)史也太短了。科什納感嘆道：“真實(shí)世界的復(fù)雜和有趣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們的想象，總是在挑戰(zhàn)我們的固有理論。”

400年一遇的客人

恒星是因?yàn)楹司圩儼l(fā)光的，當(dāng)它年老的時(shí)候，因能量不足就會(huì)導(dǎo)致引力坍縮，把外側(cè)的物質(zhì)拋撒出去，而內(nèi)部則會(huì)收縮成為一顆致密的中子星或者白矮星。這個(gè)過(guò)程就是超新星爆發(fā)，實(shí)際上也就是一顆恒星的死亡過(guò)程。

在這個(gè)過(guò)程中，它會(huì)釋放出巨大的能量，讓這顆恒星一下子變得非常明亮。超新星1987A爆發(fā)的能量，就相當(dāng)于過(guò)去它一生所釋放出來(lái)的能量總和，一個(gè)擁有十億顆恒星的星系，在它面前也會(huì)顯得黯淡無(wú)光。

爆發(fā)的亮度通常會(huì)持續(xù)幾個(gè)月或者一年多的時(shí)間，天體物理學(xué)家馬丁說(shuō)：“如果你看到一個(gè)亮點(diǎn)只持續(xù)幾秒鐘的時(shí)間，它通常是流星，而超新星爆發(fā)則是很難見(jiàn)到的奇觀。不過(guò)，在廣漠的宇宙中，每分每秒都會(huì)有超新星爆發(fā)，只是它們距離我們太遠(yuǎn)，難以被人類發(fā)現(xiàn)。即使是專業(yè)的天文學(xué)家，也只能通過(guò)對(duì)比大型望遠(yuǎn)鏡拍攝的多張照片，才能發(fā)現(xiàn)超新星。”

超新星爆發(fā)會(huì)把大量的物質(zhì)拋撒到宇宙中，我們地球上的重元素就是它們給予的。在科幻作家的筆下，超新星爆發(fā)還會(huì)激發(fā)生命的基因突變，產(chǎn)生變種。當(dāng)然，我們不需要擔(dān)心1987A爆發(fā)的能量會(huì)影響地球，天文學(xué)家認(rèn)為，與超新星爆發(fā)距離30光年就是安全的，而如1987A則距離我們16.8萬(wàn)光年。

其實(shí)在古代中國(guó)，人們也曾看到過(guò)一顆超新星。我們的祖先認(rèn)為它是來(lái)自天空中的客人，因此稱其為客星。據(jù)史書記載，1054年7月，中國(guó)古代天文學(xué)家曾通過(guò)肉眼觀測(cè)到天關(guān)客星爆發(fā)，它留下了蟹狀星云，其中心還有一顆脈沖星，而脈沖星則是曾經(jīng)發(fā)生過(guò)超新星爆發(fā)的最好證明。

1604年，開(kāi)普勒也發(fā)現(xiàn)了一顆超新星，這是一顆銀河系的超新星，距離我們較近。在兩年多的時(shí)間里，人們一直可以在天空中尋找到它，它還一度成為天空中最亮的星。

不過(guò)，在此后的400余年里，一直沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)肉眼可見(jiàn)的超新星。其實(shí)，人們通過(guò)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)到了銀河系和許多河外星系中的數(shù)百顆超新星，但憑借肉眼直接觀測(cè)到并記錄下來(lái)的超新星卻寥寥無(wú)幾。

等待神秘主角的登場(chǎng)

1987A的出現(xiàn)曾一度讓天文學(xué)家興奮不已，但無(wú)盡的疑惑也隨之而來(lái)，前文提到的三環(huán)就是其中一個(gè)未解之謎。天關(guān)客星爆發(fā)的時(shí)候有沒(méi)有形成三個(gè)環(huán)？開(kāi)普勒超新星爆發(fā)的時(shí)候有沒(méi)有形成三個(gè)環(huán)？科學(xué)家都無(wú)從知曉。

1987A在爆發(fā)3個(gè)月時(shí)，亮度曾達(dá)到最大，相當(dāng)于三等星的亮度。隨后，它就漸漸暗淡下來(lái)，但是它的環(huán)卻越來(lái)越明亮。科學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)了它26年，26年的觀測(cè)就是要等待神秘主角的出現(xiàn)。

通過(guò)仔細(xì)的觀察，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在1987A的中心還有一顆星體的殘骸。人們推測(cè)，它才是真正的主角，是它導(dǎo)致了三個(gè)環(huán)的存在。不過(guò)，即便是哈勃望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法拍攝到它的清晰照片。有人猜測(cè)它是一顆脈沖星，但令人遺憾的是，射電望遠(yuǎn)鏡證實(shí)，那里并沒(méi)有脈沖信號(hào)。在2012年拍攝的照片上，科學(xué)家依然看不到1987A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，爆炸留下的殘骸究竟是什么，我們還是一無(wú)所知。

1987A外圍的這條“珍珠項(xiàng)鏈”依然在向我們炫耀著它的年輕，外圍的兩個(gè)環(huán)，仍保持著莫名的神秘。天文學(xué)家唯有繼續(xù)等待著，等待硝煙散去，主角登場(chǎng)。

名詞解釋

天球：在天文學(xué)等領(lǐng)域中，天球是人們?yōu)榱搜芯刻祗w的位置和運(yùn)動(dòng)而引進(jìn)的一個(gè)假想圓球。根據(jù)所選取的天球中心不同，分為日心天球、地心天球等。理論上，它具有無(wú)限大的半徑，并假定各天體在天球表面上的投影就是天體在宇宙空間中的位置。

中微子探測(cè)器為何要用到純水？

一顆中微子穿過(guò)水的時(shí)候，如果與遇到的原子核發(fā)生相互作用，會(huì)產(chǎn)生一種帶電粒子。在水中，這種粒子會(huì)發(fā)射出一個(gè)錐形的淺藍(lán)色光脈沖，稱為“切倫科夫輻射”。在水的周圍，布滿了一層層儀器，用于檢測(cè)這種輻射。大量的水擔(dān)任著靶體的角色，可讓中微子與它們發(fā)生相互作用;同時(shí)，這些水又起著介質(zhì)的作用，使得物理學(xué)家能檢測(cè)到這種相互作用。