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古老的超新星
古老的超新星    张唯诚

  从字面理解,人们也许会认为超新星是出现于宇宙中的一颗新的星体。其实不然,超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。超新星爆发之际,正是恒星毁灭之时。一颗古老恒星,做出一次最闪亮耀眼的“谢幕”,百万年后的今天,天文学家们仍能还原出它昔日的“辉煌”。 
   
  科学家推测,在大约500万年前的上新世时期,天空中曾出现过一颗非常明亮的星,那时生活在非洲大陆上的南方古猿在大白天里都能看到它。它耀眼夺目,发着白光,比太阳暗,但比月亮亮许多。 
  如此推测根据何在呢?在今天,距地球很近的地方出现超新星,乃至于白天都能看到的情况很难遇到,但是在南方古猿生活的上新世时期,超新星出现得比现在频繁。那些超新星来自于一个名为“天蝎一人马”的星云,当时,那团星云正在缓缓地从太阳系旁边经过,那里面有一些寿命并不长的大恒星,其中有些像“爆米花”似地爆炸了。 
  “天蝎-人马”星云 
   
  今天的研究表明,爆炸的超新星如若离地球太近便会酿成灭绝物种的大灾难,这并不需要它们的冲击波来摧毁地球,只需它们散发的宇宙射线和相当剂量的紫外线便足够了。那些宇宙射线将破坏臭氧层,地球上的生命将完全暴露在各种放射线下,物种很难逃脱灭绝的厄运。我们的祖先能在上新世幸免于难仅仅是因为那颗超新星距地球并不是太近而已。 
  科学家之所以能还原发生在500万年前的那个情形是因为我们现在依然能够看到当年的那团星云,它距地球450光年,并且还在向天蝎座和人马座的方向渐行渐远。美国约翰斯·霍普金斯大学的天文学家赫苏斯·迈斯-阿佩利亚尼斯通过研究“天蝎-人马”星云的运动情况还原了它在500万年前的位置,他测算的最精确结果是:当时它距地球130光年。 
  “天蝎-人马”星云在200万年前依然离我们很近,那时,地球上的一些浮游生物、软体动物和其他敏感于紫外线的海洋动物神秘地消失了,古生物学家将那个时期作为从上新世到更新世的转折点。德国科学家曾研究过上新世时期的深海沉积物,发现当时的地球上存在者丰富的“铁60”,这是一种超新星爆炸产生的同位素,它们是否来自“天蝎-人马”星云的超新星呢?是否超新星杀死了那些动物?抑或只是偶然的巧合? 
  本宇宙泡 
   
  还原近地超新星的历史十分困难,因为年老的超新星是难以捕捉的,它们炽热的外壳会随着时间的推移而逐渐模糊直至无法看见,这个过程不会超过100万年,尽管超新星的核——中子星会存在得长一些,但由于爆炸的不对称性,它们时常划过银河消失了,而那些非同寻常的铁同位素更是隐藏在几百万年前的深海沉积物里难以寻觅。不过,有一样东西会留下明显的遗迹,科学家比喻为:“所有的爆炸都会在星云中吹起一个足够大的泡,而我们恰好正在一个泡里面”。 
  这个泡被称为“本宇宙泡”,它的形状像一粒花生,长约300光年,里面几乎空空如也,温度很高,气体极为稀薄,平均每立方厘米只有0.001个原子,比一般的星际物质稀薄1000倍,热100~100000倍。 
  “本宇宙泡”是20世纪七八十年代发现的,天文学家们用光学和射电天文望远镜观测银河中的星际气体,同时用X射线轨道卫星观测我们四周的星空,最终他们意识到太阳系存在于一个热的真空泡里。对于这个泡的其他大量问题,例如它有多古老?内在的构造如何?冷却的速度有多快?科学家们迫切地希望得到这些问题的答案,这需要描绘泡内的温度和密度,如果他们找到了一个热点,那可能就是超新星曾经所在的位置。 
  恒星的葬礼 
   
  超新星是质量较大的恒星在结束生命时的“回光返照”,它释放巨大的能量使自己陡然间变得极为明亮,于是人们便看到天空中突然出现了一颗“新星”,然而它并不是新的,只是那颗“旧星”突然间变得很亮了而已。此时这颗已在宇宙中闪耀了亿万年的恒星正在进行一场辉煌的“谢幕”,它要在短短几天里抛掉自己身上的大部分质量,同时释放巨大的能量。这时它倾泄掉的能量与一个年轻的恒星在几亿年里释放的能量一样多,于是它看上去是如此地亮,乃至于并不亚于一个星系的亮度了。 
  超新星爆发后所抛射的恒星外层物质会变成星云遗迹,而遗留下的星核则有可能因其质量的不同而坍缩成黑洞、中子星、白矮星或者完全被炸毁。 
  超新星爆发的灰烬散布在广阔的宇宙空间里,它引发附近星云中无数新恒星的诞生,它的灰烬也将成为组成其他天体的重要材料。这些灰烬将在新一代星球诞生的过程中被吸收而变成新的行星,地球就是这样形成的一颗行星。我们今天地球上的许多物质元素原本就来自于那些早已消失的恒星,我们日常佩带的金银饰品中含有来自超新星爆发时产生的金属原子,我们身体中的铁元素也来自遥远时代宇宙中爆发的超新星。由此看来,超新星爆发是古老恒星辉煌的葬礼,同时又是新生天体的催生者,它是天体演化过程中的一个重要环节。
历史上的超新星 
   
  超新星爆发时明亮的光辉曾吸引过世界许多民族先民们惊奇的视线,因此我们从世界上许多国家的史料中都能找到与此有关的记载。超新星185是人类历史上发现的第一颗超新星。东汉中平二年(185年),我国天文学家首先观测到了这颗星。《后汉书·天文志》载:“中平二年十月癸亥,客星出南门中,大如半筵,五色喜怒,稍小,至后年六月消。”从记载上看,这颗星在圆规座和半人马座之间,它在夜空中闪耀了8个月。 
  1054年,在距地球7200光年的地方超新星1054爆发了。根据《宋会要》的记载,这颗星呈红白混合的颜色,亮如金星,当时的人们有23天在白天也能看到这颗星。除中国人外,日本人和美洲的土著人也记载了那次爆发事件。 
  超新星1054在望远镜被发明以前几乎被人遗忘了。18世纪,一位英国业余天文学家约翰·贝维斯发现了一个星云,随后被法国天文学家梅西耶收在了他制作的《梅西耶星团星云表》中,位列第一,代号M1。到了19世纪,英国天文学家罗斯勋爵将其命名为“蟹状星云”。后来人们发现这个“蟹状星云”在不断扩张着,速度高达每秒1100千米。天文学家根据这一速度反过来推算它形成的时间,他们发现按照这样的速度上溯大约900年时,这团星云刚好聚集成了一个点,于是得知这团星云就是900年前爆炸的超新星1054,它是那颗超新星爆炸后留下的遗骸。今天,“蟹状星云”的直径已超过了6光年,而且还在以每秒约1000千米的速度继续膨胀着。 
  1604年,蛇夫座发生了一次超新星爆发,它出现的时候,其亮度甚至超过了木星,当时 开普勒对其进行了十几个月的观测并发表了观测结果,所以它又名开普勒超新星。那颗超新星距地球约20万光年,当时的人们还只能用肉眼去观察它,因为望远镜的发明是4年以后的事,但是现在,人们要使用人类最先进的太空望远镜去目睹它正在扩张着的残余物的真面目了。 
  2004年,科学家为了了解超新星残余物的演化过程,计划以多波长观测获得一幅开普勒超新星的完整图像。他们利用斯皮策太空望远镜、哈勃太空望远镜和钱德拉X射线太空望远镜联合观测了这颗超新星爆炸以后的残余物。然后,他们把来自这三台望远镜的分别以红外线、可见光和X射线拍摄的照片合成了一幅清晰的图像。通过这样的图像,科学家了解了超新星残余物各部分之间的复杂关系和各部分气体的不同温度,人们得以更清楚地观察这颗超新星由气体和尘埃组成的覆盖物,那覆盖物的宽度为14光年,正在以每小时600万千米的速度扩张着。 
  根据天文学家们的估计,银河系中每几十年会有一颗恒星爆发,但自仙后座A在1680年爆发以来,很长的一段时间里人们再也没有发现类似的记录。直到2008年,钱德拉X射线太空望远镜提供了一些可靠数据,证实一颗编号为G1.9+0.3的超新星爆发于1868年,它刷新了仙后座A的记录,成为银河系中最年轻的超新星。 
  参宿四的末日 
   
  2004年11月20日,美国航天局发射了一颗名为“雨燕”的专门用于观测伽玛射线和紫外线的天文卫星。它可在伽玛射线、X射线、紫外线和可见光多个波段上从事工作。“雨燕”升空的目的是寻找遥远恒星爆炸的微弱痕迹。它对宇宙中的爆炸非常敏感,一旦探测到有爆炸发生,它上面灵敏的仪器便会立即转向爆炸发生的位置并瞄准该位置以捕捉仍在持续的爆炸。 
  2008年1月9日,美国普林斯顿大学天文学家艾丽西娅·索得伯格和她的同事们观测到了一种特别明亮的持续5分钟的X射线爆发。这种爆发只能在X射线下看到,而“雨燕”卫星正好将X射线望远镜聚焦在了正确的区域内,从而使索得伯格和她的同事们实现了一个多年的梦想:亲眼目睹一个超新星的诞生过程。他们成了首批看到恒星爆炸成超新星的人。这颗超新星离我们很远,距地球大约1亿光年。但它爆发时亮得惊人,其亮度达到太阳亮度的1000亿倍,乃至于“雨燕”上的仪器也无法完美地把它记录下来。 
  假若500万年前那颗爆发于“天蝎-人马”星云的超新星离我们更近一些,例如25光年,那么当时的南方古猿就会看到一颗比月亮还要亮许多倍的“小太阳”,地球生物也将面临一场严重的浩劫。然而从历史上看,这样的事似乎很少发生,就我们目前所知,超新星爆发对地球物种的打击并没有产生灾难性的后果。现在,离我们最近的有可能变成超新星的邻近恒星是位于猎户座的红超巨星参宿四。在秋冬和早春的晴夜,日落一两个小时后,你会看到这颗星从东南方向升起,位于猎户座的右上方。有时,它会变得很亮,但多数情况下,它是暗淡的,只有明亮时的三分之一。参宿四正在衰老,其活动的节律已变得紊乱。在一段时间里,有时是几星期,有时是几年,它的大气发生剧烈的变化,膨胀,收缩,温度骤升,热流四溢,然后冷下来,回归平静。在躁动的颠峰,它可以膨胀到太阳直径的1500倍。不错,这颗古怪的恒星已临近爆发,它的末日将是一颗超新星。幸好参宿四离我们地球大约500光年,它的爆炸应该不会给地球带来多大的不幸,只是到了那时,我们可能会在白天里看到一颗明亮的超新星参宿四,在夜间看到它的光芒带来的投影。这也许是几百万年以后才会有的情景,也许就将发生在我们的有生之年内。
宇宙探索    李龙臣
恒星诞生和宇宙大结构 

在大爆炸约3分钟后产生的氢和氦,以气体形态弥漫在整个宇宙空间。这样大约经过300万年,也许由于弥漫的气体是带电的等离子体,它们形成强大的电流和磁场旋涡,将等离子体气体吸引在一起;也许是由于暗物质的聚集,它们的引力开始吸引气体;或许两者都存在。这样就会使气体形成泡沫状结构。由于气体密度平衡被打破,在泡沫中密度较大的网状纤维系统中,气体的引力使膨胀慢下来,最后停止膨胀转而收缩,形成一团团气体云。由于同样的原因,这一团团气体云再分裂成较小的云团。 
这些较小的云团,有的受到其它云团引力的拉扯,如两个相互绕转的云团,它们开始缓慢地旋转。随着云团在自身引力作用下的不断收缩,旋转加快。这就像冰上运动员伸开手臂旋转后,将手臂收拢回来会加速旋转一样。当旋转产生的离心力足以平衡引力,云团停止收缩,它们就是未来的旋涡星系。 
有的云团没有受到外力的拉扯,整体不旋转,但它们中的各部分仍稳定地绕中心旋转,最后使收缩停止。它们是整体不旋转的椭圆星系。 
还有一些星系则是由两团高速运动的云团相撞后合并而成的。 
作为星系的云团还会再分裂为星云。这些星云在自身引力作用下不断收缩,使中心的温度不断升高,当达到1500万度时,氢核聚合成氦核,并放出巨大的光芒,这就是恒星。最早的恒星是在大爆炸后约1亿年时诞生的。 
第一代恒星几乎全由氢和氦组成,随后在其中心的氢、氦聚合反应中产生碳和氧等较重元素,在晚年的超新星爆发中产生铁等更重的元素,并将其与碳、氧、氢、氦一起洒向空间,成为第二代恒星的组成原料。 
我们的太阳就是50亿年前诞生的第二代恒星。地球等行星和卫星则是由太阳形成时的剩余物质形成的。 
上述星系和恒星形成的过程,就是苏联物理学家雅可夫·萨罗德维奇在1969年提出“自上而下”的星系形成理论。1981年发现宇宙的大结构是由星系形成的泡沫状结构,支持了这种理论。但是,1995年哈勃空间望远镜发现小云团合并现象,又支持了美国物理学家杰姆·皮伯斯在1966年提出的星系是由小云团合并而成的“自下而上”的理论。但不管哪种理论,今日的宇宙都是由星系形成的泡沫状大结构。 
除少数单星以外,多数恒星都是两颗、三颗、四颗甚至十几颗到几十万颗聚集在一起,分别叫双星、三星、聚星和星团。但它们也不是均匀分布的,许多单星、双星、三星、聚星和星团又聚集成星系,如太阳所在的银河系,共有1000多亿颗恒星,其中包括约1000个星团,半径5万光年。 
星系也不是均匀分布的,在宇宙中1000多亿个星系中,它们又分别聚集成星系群或星系团。银河系所在的星系群叫本星系群,共有20个星系,半径约300万光年。 
星系群和星系团仍然不是均匀分布的,一些星系群和星系团又聚集成超星系团。本星系群所在的超星系团叫本超星系团,共有50个星系群和星系团,以室女座星系团为中心,半径约3亿光年。 
有人认为,超星系团还不是最后的联合体,一些超星系团又聚集成超星系团集团。如距地1.8亿光年的“大者”聚集1万个以上的星系。 
从星系到超星系团集团,形成了宇宙的泡沫状结构。密集的星系形成泡沫的网状纤维结构,俗称“星系长城”。星系很少甚至没有星系的空间是泡沫中的泡泡,俗称“星系空洞”,直径达1~3亿光年。 
宇宙虽是泡沫状结构,但物质在大尺度上的分布仍是非常均匀的。迄今,宇宙一直在膨胀。那么,宇宙是如何膨胀的呢? 
宇宙如何膨胀 

早在1917年,美国天文学家维·斯里弗在研究遥远星系的光谱特征时,就发现大多数星系的光谱都向红端移动,他还计算出当时已知的15个星系中有13个有较大的红移量。这说明这些星系在快速退行。开始,人们以为宇宙中的星系运动,会像分子运动一样,会是相当紊乱的,有的退行而去,有的快速而来。那样,它们的光谱就会有的红移,有的则蓝移。 
1929年,哈勃在进一步研究后做出结论,所有星系的光谱都红移,红移量与星系离我们的距离成正比。这就是说,所有星系都在远离我们而去,距离越远,退行速度越快,整个宇宙在膨胀。他还计算出宇宙的膨胀比率,即哈勃常数。后来计算出,宇宙大约每10亿年膨胀5~10%。 
既然星系都在远离我们而去,那么,我们就是宇宙的中心了? 
其实不然,宇宙没有中心。宇宙膨胀的概念是:各星系都在相互分开。我们可以通过一个不断膨胀的气球来理解,气球代表宇宙,在气球上点上许多小点代表众多的星系。在气球不断膨胀时,各个小点之间的距离虽在不断增大,即它们都在相互远离,但我们找不到任何中心。
既然宇宙在不断膨胀,那么,月球、火星、太阳等天体与地球的距离是否在不断增大?即太阳系是否在不断增大?银河系中各恒星之间的距离是否在不断增大?因而银河系空间在不断增大? 
不会的,不仅太阳系的各天体的体积不会因宇宙膨胀而增大,而且太阳系各天体之间的距离也不会增大,因而太阳系也不会增大。银河系,乃至各河外星系中的恒星之间的距离也不会增大,因而银河系和河外星系的体积也不会增大。 
现在知道,甚至星系群和星系团中的各星系之间的距离,也不会因宇宙膨胀而增大。因为它们是靠引力联合在一起的,足够强大的引力,使它们之间的距离始终保持不变。如后发座星系团正以6600千米/秒的速度远离我们而去,但星系团中的各星系之间的距离并不增大。 
由此我们知道,宇宙膨胀只表现在各星系、各星系群、星系团之间的距离在不断增大。这是因为它们之间的距离非常遥远,相互之间的引力联系已非常微弱,因而无法战胜膨胀力而相互远离。 
目前,宇宙在各个方向上都以非常均匀的速度在膨胀。 
那么,宇宙还会继续膨胀下去吗? 
宇宙膨胀是大爆炸的张力造成的。对抗张力的力是物质的引力,因此,宇宙是继续膨胀还是转而收缩,取决于宇宙中有多少物质。 
根据暴涨理论,宇宙中的物质量与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值,相差不会超过百万分之一。人们一直认为宇宙以临界速度在膨胀。可是已知的恒星等发光物质,不及临界值的1%,加上不发光的天体和星际气体等也只有临界值的10%。因此,人们在努力寻找着应该存在的大量暗物质。 
下一期我们就来介绍暗物质问题。
继续膨胀宇宙的结局 

宇宙的未来发展,无非是两种情况,一种是继续膨胀下去,一种是转而收缩。它们的结局如何,一些科学家已有许多论述。不过,对难以理解的遥远未来的宇宙的研究,这顶多只是推测而已。我们不妨作为科幻来了解。 
F·戴森和J·伊思兰等人曾提出,继续膨胀的宇宙,约在1027年的时间内,所有恒星都会耗尽燃料而成为白矮星、中子星和黑洞,它们都将聚集在星系中心,最后成为一个质量达1011太阳质量的巨型黑洞。而由星系聚集的星系群和星系团,也会在约1031年的时间内,将各星系形成的巨型黑洞聚集在中心,形成一个质量达1015太阳质量的超巨型黑洞。这样,整个宇宙就由许多超巨型黑洞和一些没有聚集的星系级巨型黑洞、恒星级黑洞组成。 
在宇宙背景温度高于黑洞温度以前,黑洞会吸收热量而继续增大。而当背景温度下降到黑洞温度以下时,黑洞的食物断绝了,它将变得与白洞类似,以量子蒸发的形式向外抛洒γ射线和光子。黑洞因损失能量而收缩。收缩会使其温度升高,温度升高将加快蒸发。这使黑洞滑向不可遏制的蒸发升级过程,恒星级黑洞、星系级巨型黑洞、星系团级超巨型黑洞将分别在1067、1097、10106年内完全蒸发成γ射线和光子。 
对于那些没有被黑洞吞食的少量物质,根据大统一理论,质子和中子大约在1032年后衰变为电子和反电子。电子和反电子会相遇湮灭,产生γ射线和光子。 
由此可见,膨胀宇宙最后成为只有γ射线和光子的混沌世界。 
有人认为,宇宙膨胀速度不同,上述走向死亡的过程细节会有所区别。 
如果膨胀速度较快,会把正、反电子拉开,使它们不会相遇湮灭而存留下来。此外还有不与任何物质作用的中微子。正电子、反电子的温度随宇宙膨胀而迅速降低,但正、反粒子湮灭产生的γ射线的温度,随宇宙膨胀而下降的速度要慢得多,因而形成温度差。这种温度差可成为能量来源,使宇宙不会达到完全的热平衡,即宇宙不会“热死”。 
如果宇宙的膨胀速度较慢,正、反电子相遇湮灭的几率较多。但同时,电磁力也会使一些正、反电子形成“电子对原子”。据认为在1071年后,大部分没有湮灭的正、反电子都会成为电子对原子。电子对原子中的正、反电子相互绕转,轨道直径达1000万光年,在绕转中发射低能光子,轨道因损失能量而衰减。但由于相互绕转的速度非常慢,100万年才移动1厘米,因轨道衰减使正、反电子相遇湮灭的时间需要10116年。每个电子对原子在湮灭时放出1022个以上的光子,使宇宙达到热平衡而“热死”,即整个宇宙成为一团混沌火球。 
收缩宇宙的结局 

如果宇宙有朝一日转而收缩,宇宙空间中的物质密度将逐渐增大,星球、星系之间的距离逐渐缩短,宇宙的温度将逐渐升高。有人推测,在宇宙收缩到现有大小的1%时,温度达到100℃,像地球这样的行星上的生物不能再生存下去,接着是行星的毁灭。 
随着宇宙的不断收缩,在整个宇宙的温度升高到超过恒星的温度时,恒星也将消失在宇宙中。而黑洞则凭借其强大的引力趁机饱食一顿,使自己逐渐变重变“胖”。接着黑洞不断地火并,最后形成一个大黑洞。 
黑洞向外蒸发,特别是黑洞在自身强大引力作用下的不断收缩,使蒸发不断加快,直到最后完全蒸发掉,宇宙成为一个混沌世界。 
也有人认为无须这样累赘的叙述,在累加的引力作用下,宇宙收缩的速度不断加快,开始以千百亿年计,后来以几分几秒计,最后以微妙计,使宇宙的收缩成为失控的内向大爆炸,即大崩塌,而成为一个混沌的火球。 
如上所述,由大爆炸产生的宇宙,不管是永远膨胀还是转而收缩,都将沿着逆反过程回复到原来的混沌状态,物质没有了,空间和时间也没有了。
以上有关宇宙未来的推测,都是在暗能量发现以前做出的。在暗能量发现以后,无论在理论上还是在未来的事实上,虽不可能从根本上推翻已有的关于宇宙未来发展的理论和推测,但在发展的细节上肯定会有所不同。这是我们需要随时关注的。 
科学是不断发展的,我们的学习也要不断发展。科学不发展就是僵化,对个人来说,知识不更新也是僵化。活到老学到老的最高境界,就是使自己的头脑适应科学的不断发展,也就是适应宇宙的发展。什么叫“天人合一”?就是人的头脑思维与宇宙发展的客观规律高度一致。 
现在多数人认可大爆炸宇宙诞生和发展理论,因为种种事实证明它是符合宇宙的客观事实的。但是,有些人不喜欢这个理论让宇宙有一个起点和终点,因而提出其他理论,如振荡的循环宇宙理论,认为我们的宇宙将来收缩后还会膨胀,膨胀了还会收缩,永无休止。这样的宇宙有着无限的过去,也有着无限的未来,只有阶段性的起点和终点,没有永远的起点和终点。 
无论从理论上还是实践上都不可能有永远重复的事物。撇开理论不说,不断充气又放气的气球,每一次的情形都不会完全一样,而且最后一定会破裂。每年都长叶开花的树木,也不可能永远循环下去,最后总是要死亡的。宇宙也一样,有生也有死,这是不可回避的、必须接受的事实。如果人们认识到这一点,“天人合一”了,即使宇宙末日来临,又有什么可恐惧的?!何况对现今的人们来说,还早着呢。 
由射电望远镜带出的问题,还有地外生命问题,这里不再介绍。 

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