文|陳壯叔

超新星爆炸，地球或現(xiàn)雙日

文|陳壯叔

從現(xiàn)在開(kāi)始的100年內(nèi)，參宿四將發(fā)生大爆炸，屆時(shí)我們將有可能看到自地球誕生以來(lái)最耀眼的光芒，猶如天空中出現(xiàn)了兩個(gè)太陽(yáng)。

今年1月以來(lái)，不少媒體都報(bào)道，今年我們有可能看到一顆恒星（參宿四）的大爆發(fā)，屆時(shí)天空中猶如出了兩個(gè)太陽(yáng)。之后各界又紛紛辟謠。這到底是怎么回事呢？

宇宙中的萬(wàn)物，皆有其發(fā)生、發(fā)展和死亡的過(guò)程，即使是萬(wàn)物賴(lài)以生長(zhǎng)的太陽(yáng)，也不能幸免。夜空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星，皆為一個(gè)個(gè)的太陽(yáng)，它們是如何形成的呢？

宇宙組成的極大部分是氫，約占宇宙物質(zhì)的70%。在引力的作用下，氫原子變成巨大的氫云塊，逐漸形成團(tuán)，進(jìn)而收縮形成恒星，此時(shí)其星核的溫度已高達(dá)107k（k為極時(shí)溫度，0k對(duì)應(yīng)為-273℃，這意味著分子停止運(yùn)動(dòng)，不再產(chǎn)生熱量）。這一高溫從何而來(lái)？無(wú)非是巨大尺度的氫云，變成相對(duì)小得多的太陽(yáng)，使其引力能轉(zhuǎn)變成熱能。此時(shí)恒星中心引發(fā)了熱核巨變，即氫的燃燒，經(jīng)此而聚變成氦。核反應(yīng)產(chǎn)生的高溫，將使星球物質(zhì)向外膨脹，而它們自身的引力卻要把它們拉向中心，這兩者的抗衡，保持了星體的平衡：恒星的氫燃燒過(guò)程十分穩(wěn)定，也最持久，故天文學(xué)家把恒星的這一過(guò)程稱(chēng)為主序星階段。我們的太陽(yáng)目前正是處于這種狀態(tài)。我們?cè)谝箍罩兴?jiàn)的繁星，90%屬主序星。

當(dāng)恒星的氫燃料耗盡，其中心留下了一個(gè)氦球，此時(shí)中心的密度增大到10000g/cm3（水的密度為1g/cm3），而溫度升高到1億℃；相比之下，太陽(yáng)中的密度為100g/cm3，溫度為1400萬(wàn)℃，可見(jiàn)目前太陽(yáng)的情況對(duì)人類(lèi)而言要溫和得多。那么到了那時(shí)，人類(lèi)將如何生活？沒(méi)有人會(huì)認(rèn)真地去考慮這個(gè)問(wèn)題，除非科幻小說(shuō)，因?yàn)樘?yáng)作為一顆主序星，還有50億年的壽期。

再說(shuō)恒星中的氦球會(huì)有何變化。天體的演化似乎早有約定，氦就只有在上述高密、高溫的條件下才會(huì)引發(fā)核燃燒，它的燃燒阻止了其自身的引力塌縮。不過(guò)事實(shí)上，這時(shí)恒星的體積不是縮小，而是擴(kuò)大了。原來(lái)前期氫燃燒時(shí)還有殘存的氫，它們皆浮在星球的外層，而此時(shí)的溫度足以引燃?xì)錃?，致使它們膨脹，形成一個(gè)很大的殼層，此時(shí)恒星的體積可能會(huì)膨脹到原星體的10倍。由于恒星發(fā)出跟過(guò)去同等程度的光，但因體積的大增，單位面積上的發(fā)光度大為降低，它不再是陽(yáng)光般的白色，而是紅色，故此種恒星被稱(chēng)為“紅巨星”。

當(dāng)一顆太陽(yáng)般質(zhì)量的恒星，在燃盡氫，繼而氦聚變成碳后，還將經(jīng)過(guò)幾個(gè)不穩(wěn)定階段，最終將演化成密度很大、體積很小的致密星，這種星被稱(chēng)為“白矮星”，其密度達(dá)106~109g/cm3。至此，它不再進(jìn)一步地塌縮，這是由于星體物質(zhì)越擠越緊，最終產(chǎn)生了所謂的電子簡(jiǎn)并效應(yīng)，它阻止了引力的向心壓力，從而保持了白矮星形態(tài)上的平衡。白矮星將一直存在下去，慢慢地散發(fā)其熱量，直至完全冷卻，變成一顆被稱(chēng)為冷星的“黑矮星”，但宇宙中還未出現(xiàn)過(guò)這般星球，因?yàn)槔鋮s所需的時(shí)間遠(yuǎn)大于宇宙目前的年齡。

并非所有的恒星皆有這樣的歸宿，若恒星的質(zhì)量5倍于太陽(yáng)，情況就大不一樣了。

當(dāng)大質(zhì)量恒星的核燃料耗盡后，即使是電子簡(jiǎn)并效應(yīng)，也阻擋不住其自身的引力塌縮，此時(shí)星核物質(zhì)將進(jìn)一步壓緊，致使原子中的電子擠入原子核內(nèi)，它跟質(zhì)子結(jié)合而變成中子。至此，星核完全由中子物質(zhì)組成，形成了密實(shí)的中子星。若恒星的質(zhì)量很大，中子之間產(chǎn)生的簡(jiǎn)并效應(yīng)也無(wú)法擋住自身的引力塌縮，恒星將被擠壓成一個(gè)小點(diǎn)，從而變成與世隔絕的黑洞，因?yàn)檫B光線（更不用說(shuō)物質(zhì)）都無(wú)法逃脫其極強(qiáng)烈的引力場(chǎng)。這些致密星體是大質(zhì)量恒星的終結(jié)。

這里還得插入一個(gè)極為重要的天文事件。在形成中子星的過(guò)程中，星體的大量外層物質(zhì)急劇地落向中心，其速度高達(dá)每秒5萬(wàn)千米，隨即引發(fā)了爆聚核反應(yīng)，發(fā)生了大爆發(fā)，即超新星爆發(fā)。由于上述物質(zhì)高速撞擊星核，引起后者反彈，產(chǎn)生了極強(qiáng)烈的沖擊波，它反過(guò)來(lái)又把極大部分的外層物質(zhì)高速（18萬(wàn)千米/秒）噴射出去。此時(shí)，整個(gè)星體發(fā)出巨大的能量，使其亮度一下猛增數(shù)十萬(wàn)倍，甚至上億倍；其中心溫度竟高達(dá)100億℃，這也是人類(lèi)迄今探測(cè)到的最高溫度。超新星爆發(fā)是僅次于宇宙創(chuàng)生大爆炸的天文爆炸。

超新星爆發(fā)，是天空中十分稀有的突發(fā)性天體災(zāi)變事件，銀河系中有2000多億顆恒星，但超新星爆發(fā)卻是幾百年難遇一次的奇觀。那么，科學(xué)家如何能測(cè)得上述數(shù)據(jù)呢？應(yīng)該說(shuō)事有巧合。1987年2月24日，加拿大一位天文學(xué)家突然看到，在離我們19萬(wàn)光年的麥哲倫星云之中，閃出一顆十分明亮的星球，他立即意識(shí)到，這是一顆超新星爆發(fā)。這引起了當(dāng)年科學(xué)界的轟動(dòng)，全世界的天文臺(tái)皆聚焦到這顆星球上，觀測(cè)其爆發(fā)的全過(guò)程。天文界將此超新星定名為SN1987A。目前人們已探知，躲藏在SN1987A中心的是一顆中子星。

現(xiàn)在來(lái)說(shuō)一下“參宿四”。它是天空中最亮的紅超巨星，離我們約640光年，它的直徑是太陽(yáng)的700倍，發(fā)出的光是太陽(yáng)的1萬(wàn)倍，稱(chēng)其為超巨星當(dāng)之無(wú)愧。它有一個(gè)奇怪之處，其亮度呈周期性（6年）的變化，明、暗相差很大。原來(lái)它的大氣很不穩(wěn)定，處于脈動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)恒星變小時(shí)，其大氣就會(huì)吸收近旁的能量，它就升溫而膨脹，大氣因此而變得稀薄，能量也即逃逸，氣體重新變冷而收縮。

參宿四與太陽(yáng)不同，太陽(yáng)中心一直處于穩(wěn)定的氫核聚變，這種狀態(tài)還將延續(xù)幾十億年，而太陽(yáng)形成于46億年之前。參宿四的演化歷程比太陽(yáng)要快得多，它先前是一顆灼熱、明亮的藍(lán)色恒星，僅僅在幾千萬(wàn)年之中就演變成超巨星狀態(tài)。天文學(xué)家早就認(rèn)識(shí)到，它的大氣正以15千米/秒的速度向外運(yùn)動(dòng)，大量的氣體在恒星之外形成一個(gè)包層，這是一個(gè)圍繞著恒星的氣殼。人們對(duì)此氣殼進(jìn)行了長(zhǎng)期觀察，發(fā)現(xiàn)氣殼邊緣的物質(zhì)一直延伸到1萬(wàn)億千米之外。人們還發(fā)現(xiàn)，它擁有兩顆伴星，且均比參宿四要暗得多。

天文學(xué)家預(yù)言，經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年，若它很快地喪失其外部氣體，那么暴露出的星核將很快地冷卻下來(lái)，因此它將變成一顆白矮星。若其外部的氣殼仍保留著，那么中心的熱核聚變?nèi)詫⒗^續(xù)，并日益走向高溫、高密，有可能激發(fā)一場(chǎng)大規(guī)模的爆炸，成為一顆超新星。

澳大利亞南昆士蘭大學(xué)的布拉德卡最近稱(chēng)，參宿四可能在今后100年內(nèi)的任何時(shí)刻里發(fā)生超新星爆發(fā)，最早可能在2012年之前。這就是說(shuō)，人們有幸可能在今年看到這千載難逢的宇宙奇景。屆時(shí)，我們將看到自地球誕生以來(lái)最耀眼的光芒，黑夜將如同白晝，有如天空中出了兩個(gè)太陽(yáng)。這一過(guò)程將持續(xù)一周或更長(zhǎng)。

尚若如此，人類(lèi)豈非遭殃？回答是否定的。天文學(xué)家說(shuō)，只要超新星爆發(fā)離地球幾光年之外，那么對(duì)我們來(lái)說(shuō)是絲毫無(wú)損的，而今參宿四跟我們相距640光年，有何懼哉？

再說(shuō)恒星在最后爆炸時(shí)，其極大部分（99%）能量皆以中微子的形式釋放出來(lái)。中微子質(zhì)量極小，僅比無(wú)質(zhì)量的光子略重一點(diǎn)，它跟物質(zhì)的作用極微弱。例如上述SN1987A的爆發(fā)，按科學(xué)家的計(jì)算，落到地球上的中微子數(shù)目很大，每平方厘米約有數(shù)百億個(gè)，因此每個(gè)人體上都有1013個(gè)中微子穿過(guò)，但無(wú)人感覺(jué)得到，即使世界上最靈敏的探測(cè)器也只能捕捉到27個(gè)而已。

天文學(xué)家認(rèn)為，這一爆發(fā)是一個(gè)高概率事件，這里指的是“100萬(wàn)年內(nèi)”的時(shí)間跨度。對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)，這是很短的一刻，可是對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這幾乎是一個(gè)無(wú)限漫長(zhǎng)的時(shí)間跨度。若最早在今年爆發(fā)，那么則是百萬(wàn)分之一的概率。因此，這是一個(gè)極小概率事件。

最后再回過(guò)來(lái)說(shuō)說(shuō)超新星爆發(fā)，它好像是恒星死亡前的垂死掙扎。其實(shí)不然，它在宇宙演化中具有十分重要的積極意義。在宇宙發(fā)生大爆發(fā)后，僅形成少數(shù)較輕的元素，如氫、氦等。而其他的重元素，諸如碳、氮、氧、鐵……都是在大質(zhì)量恒星內(nèi)部，經(jīng)熱核聚變而成的，最終經(jīng)超新星爆發(fā)，把這些重元素拋向星際空間，混合于氫氣之中，成為第二代恒星系統(tǒng)（如太陽(yáng)系）的原材料。要知道，若沒(méi)有上述重元素，就形成不了生命物質(zhì)，至少地球生命是如此；若沒(méi)有生命，何談智慧生命——人的出現(xiàn)。從這個(gè)意義上來(lái)講，正是超新星爆發(fā)，為人類(lèi)的到來(lái)提供了關(guān)鍵性的條件，從而為宇宙的存在提供了觀察者，使得宇宙進(jìn)入了自我認(rèn)識(shí)的階段。