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1、第六章 超新星核阶梯自然界的元素不只是氢、氦、碳和氧，生命物质、木材、土壤和岩石中都含有一些 硅、镁、硫、磷、铁和其他重原子，这些原子的核中都有 20 个以上的质子和中子。如果 这些元素不能在太阳和大多数恒星里制造，它们又是来自何处呢？仍然是来自恒星，不过只是很小一部分恒星，即质量最大的那些。只有在离开主序 时质量超过SM的恒星才能制造重原子核。恒星中被外层重量压紧的核心就是“炼金炉”， 原料就是氢和氦燃烧的“炉渣”，即碳和氧，冶炼过程在温度升到 6 亿开氏度时开始。在这个温度上碳再也保不住了，相互猛撞并聚合成氛和镁，一条生产线就此建立， 因为每个新的热核反应都释放更多的能量，使温度升得更高，
2、从而使新的转变成为可能。 在10 亿度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在 15 亿度时氧也开始燃烧，产生一系列更重 的元素：硫、硅和磷，在 30亿度时硅燃烧，并引发几百种核反应，使炉子里的温度越来 越高。在再往后的几千种反应的熊熊烈火中，更重也更珍贵的元素被制造出来。这是恒 星生命的最后阶段，这些反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短。对 于一个质量为25M的“模型”星，碳的燃烧持续600年，氛是1年，氧是6个月，而硅只有 1 天。巨型“洋葱头”核转变并不能就以这种速率无限制地继续下去，反应的洪流最后都朝着个元素汇 集：铁。铁的原子核报特殊，其中的56个质子和中子结合得如此紧密，没有
3、一种聚变能 量能使它们分开，铁就成了大质量恒星核心的最后灰烬。现在的恒星由一个已停止热核反应的核心和仍在接连地燃烧的外层组成。恒星只得 不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个巨大的尺度，成为红超巨星。红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没所有 行星，包括远在扣亿公里外的冥王星。红超巨星的内部结构有时被描绘成像一个洋葱头， 因为它包含许多在燃烧着不同化学元素的同心层。最轻的元素在温度最低的外层燃烧， 而最重的元素在紧贴着那个呆滞铁核的内层燃烧。中子化虽然铁核的温度在10亿度以上，却没有能量从中流出。它太“冷”了，不足以使超 巨星维持引力平衡，铁核就会被压得更紧密
4、，其中的电子成为简并。当简并电子的巨大 压力能暂时地支持外层的重量时，恒星活动会出现一个间歇。但是我们记得，简并电子不能支撑超过14的质量，超过钱德拉塞卡极限就不可 能有引力与电子压力的平衡。新的铁会继续不断地在紧靠超巨星核的层里产生，由于重 量大，这些铁会下沉并进入核心。当核心里铁和简并电子的质量一超过钱德拉塞卡极限， 那个致命的时刻就来到了。所有质量大于10M （包括核和外层）的恒星都能产生出一个质量在1. 4M以上的核， 这时的密度达到10 记克立方厘米。电子已简并的核突然塌陷，剧烈收缩，在十分之一 秒内，温度猛升到50 亿度。涌出的光子带有如此大的能量，以至于将铁原子核炸开，蜕 变成氨
5、原子核。这个过程叫作光致蜕变。与增大原子核尺度并释放能量的核聚变反应不同，光致蜕变使原子核破烈并吸收能 量。恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持 续上升，直到氦核本身也蜕变成其基本成分：质子、中于和电子。在这样的高温下，电 子的速度接近光速，因此，虽然处在简并态，电子变得更不能阻挡压缩力，在 0l 秒里 它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的 中微子流中微子（即微小的中性粒子）是泡利于 1931年预言而在 1956 年才被后人实际探测到 的一种基本粒子。通常情况下，中微于几乎不与其他物质发生相互作用，因而能够飞行 很大的
6、距离而不被阻挡或改变路径。但在大质量恒星的内向爆炸的核心，中子化所释放 的中微子洪流具有巨大的能量，使得恒星外壳也受到震动，并吸收相当大一部分中微子， 其余的中微子则以光速逃离恒星，并毫无阻挡地超过星际空间。中子和质子一样，也是原子核的一种成分（即是一种核子）。它在 1932 年才被发现， 因为它单独存在时很不稳定。一旦它从原子核里分离出来，就只有很短的寿命，在大约 10 分钟后自动蜕变，失去其电中性，产生出一个质子、一个电子和一个反中微子（反中 微子是中微子的反粒子，自由中子的蜕变是坍缩恒星核心发生的质子俘获电子反应的逆 反应）。现在，最重要的时刻来到了：中子的自旋是半整数，是一种费米子，像
7、电子一样服 从泡利不相容原理。但是，中子的“占据体积”要小得多，两个中子之间的间隔可以小 到 10 ”厘米，也就是说，中子可以互相碰到。于是，中子化就伴随有一场物质的内向 爆炸和密度朝着简并态的巨大增长。恒星开始坍缩的 025 秒后，密度达到 10克 厘米3（相当于在一只缝纫顶针里有 1 亿吨质量）。这正是原子核的密度，就像是通常物 质中的电子都被移去，而原子核互相挨在一起。在恒星核里再没有任何“真空”留下， 恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并 态，就叫做中子星。爆发物质一旦达到核密度，就不可能再作任何进一步的压缩。恒星的非中子化外层以大 约4 万公里
8、秒的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙。外 层物质被突然挡住，并反弹回来，形成冲击波（冲击波是一种不连续释在介质中的传播， 这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。在自然界，所有的爆发 情况都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。一架飞机的 速度超过330 米秒，“声屏障”就被打破，同时伴随有一个在大气层传播的冲击波， 并产生一个声“爆炸”）。在引力坍缩中，随着外层物质的弹回，冲击波由中心向外传播，并在几天后到达恒 星表面。它带有极其巨大的能量，毫不含糊地把恒星整个外区轰得粉碎，并沿径向向外 吹得四散。我们的25M的“模型星”将喷射掉
9、24M的质量，只剩下一个l /的中于星。 这个现象就称为超新星。超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星 在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新” 星看上去就像一整个星系那样明亮。相比之下，伴随着恒星收缩为白矮星而发生的行星状星云现象就显得是一种很平静 的死亡，是一种次级葬礼；超新星爆发则是一种壮烈的死，喷射出更多的灰烬，而留下 一具更紧密的星骸。超新星吹出的气体不仅给星际介质送来了在“洋葱头”里形成的丰富的重元素，而 且对星系演化起着比行星状星云更重要的作用。巨大分子云中整代恒星的诞生就是由附 近的超新星爆发所引发。50
10、亿年前，当太阳以及与之相随的小行星、流星、若星和行星 从原初云中产生出来时，银河系的年龄已有 100 亿年，许多大质量恒星已经烧光，它们 的灰烬已遍布于银河系内。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。观察超新星超新星现象当然不限于我们银河系里的大质量星。但由于现亮度随距离急剧减弱， 只是在本世纪的大望远镜出现后，才能观察其他星系里的超新星爆发。迄今为止，在几 十万个邻近星系中，已看到几百个超新星，平均每个月出现两个，可以估计出一个星系 里超新星爆发的频率大约是每百年 4 个。用肉眼只能看到银河系内的星。有文字记录的天文观察已经 2000 年了，在这段时间 里银河系应该有100
11、个左右超新星爆发，但只有很少几个被记录下来。造成这个大差额的主要原因是太阳系位于银河盘面上（即在夜空里看到的那条亮 带）。银河盘本来正是大多数产生超新星的大质量恒星所在的地方，但由于盘上大量尘 埃对可见光的吸收，光的穿透程度大为降低。从地球上只能探测到盘面上几百光年的距 离，也就是说只能进入银河系那最有趣味的区域的很小一部分（后面将会看到，射电、 红外和 X 射线辐射被吸收较少，因而能到达地球）。随着观测天文学的发展，人们应当能够克服这个困难。超新星爆发时不仅发射光子， 而且还有别的能够不被宇宙尘遮挡的辐射，尤其是中微子极为丰富，又能飞越许多光年 而不与其他物质发生作用。如果能在地球上探测到它
12、们，我们就有了一个关于发射源的 全新信息的宝库。问题是如何探测它们，因为它们几乎不与别的物质作用，当然也就难 以与通常的观测仪器发生作用。太阳核心的热核反应也产生恒定的中微子流，其中极其微小的一部分能在地球上被 探测到，所用装置是个盛有600吨四氯化碳并理在南达科塔一个金矿坑里的巨大容器。 中微子击中这个奇特游泳池中的氯原子使之变成氨，而氛可以被提取出来（欧洲的一个 更新的实验是用爆来作靶子）。超新星中微子的能量比太阳中微子更高，探测它们的装 置本来是为别的目的而设计的。粒子物理学家已经建造了巨大的地下水池（以遮蔽宇宙 线）来探测质子衰变和相应的光闪耀。由最近粒子作用统理论提出的有限质子寿命问
13、 题是很重要的，因为质于是原子核的基本成分。迄今尚未探测到一个质子衰变。另一方 面，这些水探测器对高能反中微子很灵敏（例如来自附近超新星的反中微子），一个反 中微子与水池中的一个质子作用，生成一个中子和一个正电子（电子的反粒子）。这个 反应会发出一个切仑柯夫辐射闪耀，并能被浸在水池中的数千个光电阴极的某一些记录 下来。此技术在 1987 年 2月超新星 1987A 出现时获得了令人欣喜的成功，后文将再谈到超新星的另一种类型的辐射可能更有价值，它不是电磁也不是中微于辐射，而是引 力辐射（引力波的问题将在第 18章更详细地介绍）。爱因斯坦广义相对论预言了引力场 迅速变化时曲率波的传播，这种波在恒星
14、坍缩时应当产生。到2000年，引力望远镜应当 能探测到远达1亿光年之外的超新星爆发的信号，在这个距离上横亘着几千个星系，望远镜应能每个月探测到一次引力辐射爆发。历史上的超新星虽然我们寄希望于明天的天文学，但决不能只是耐心等待恒星痛苦地死亡。历史上 的天文学是一个不需再花钱的信息宝库，前人的文字记载里包含的天文学财富正等待我 们去使用。远在望远镜发明之前，大质量恒星的剧烈死亡已在观测天文学的历史记载里留下了 踪迹。在远东，职业天文学家（通常是星占学家）被统治者雇佣来观察天空，报告和解 释突发的事件。在中国的多个朝代里有许多这种事件的相当详细的记载，其中有些记载 甚至是公元前 200 年幸存下来的
15、。更古老的记载被很遗憾地毁坏了，这个无可挽回的损 失是由于一个人的过分骄横，他就是秦始皇自称是中国第一个“真正的”皇帝。他 决定，世界的历史从他的统治开始，于是在公元前对 3 年下令焚书，大多数古老的文献 就此丧失了。幸运的是，中国并不是唯一的对天文学有热烈兴趣的国家。日本和朝鲜自公元前 1000 年起一直进行固定的天文观测，于是就可能找到不同国家对同一事件所作的同时记 载，使得科学家们能够鉴别那些常被很含糊地描述的现象。历史上有记载的超新星的确切数目还不得而知，但不会超过 10 个。不过，并不是所 有的记载都被对天文学有兴趣的历史学家搜集到了，而被不懂得东方语言的天文史家搜 集的甚至会更少。
16、由中国人观察到的头三个超新星只被很简短地记录下来。一个于公元 185 年出现于 半人马座，有 20 个月之久能被看到；第 H 个是公元 396 年在天揭座，持续了 8 个月；另 个也在天蝎座，时间是公元 827 年。公元 1006 年豺狼座超新星有着足够多的来自不同区域的记载，因而其可靠性可以确 认。欧洲人（中世纪欧洲的修道院作了记载）、阿拉伯人、中国人和日本人都看到了它。 它可见于肉眼达 25 个月之久，而且，按照来自伊拉克的描述，它明亮得超过了弦月。一颗星的证认我深深鞠躬。我看到一颗客星出现，它有闪光，黄色国家将繁荣昌盛。标推德，皇家天文学家（ 1054）历史上最著名的超新星（至少就我们所知）是 1054 年由日本人和中国人观察到的。 最细致的描述由一位熟知星象的中国宋代宫廷天文学家标准德作出。未至和元年五月已 丑日1054 年 7 月 4 目一一杨修德注意到了天空中一颗奇怪
