奇异超新星揭示恒星新秘密

大约每秒钟，在我们可观测的宇宙中的某个地方，另一颗太阳在一场恒星灾难中被摧毁——当一颗恒星脉动、碰撞、坍缩成黑洞或作为超新星爆炸时。宇宙的这个动态方面，在夜空看似平静的景象中被忽略了，但最近已成为天文研究的前沿。近一个世纪以来，科学家们一直试图追溯数十亿年宇宙演化过程中发生的事情，但直到最近，我们才开始解析以天和小时为时间尺度的天体事件，从而目睹恒星动荡的生与死。

尽管过去我们缺乏详细研究这些现象的工具，但宇宙瞬变的证据已经存在了数千年，至少可以追溯到公元1006年中国对一颗“客星”的观测，这颗星在肉眼可见几周后才消失。伟大的天文学家第谷·布拉赫在1572年记录了类似的事件，约翰内斯·开普勒大约在30年后也记录了类似的事件。我们现在知道这些现象是恒星的超新星爆炸。超新星在其峰值时可以比十亿个太阳更亮，但由于大多数超新星发生在非常遥远的地方，它们在我们看来只是暗淡的光点，很容易迷失在广阔的天空中。

现代技术正在彻底改变动态宇宙的研究。望远镜已经变得自动化，并配备了高分辨率数字相机，这些相机将数据馈送到计算机化的图像处理和模式识别软件。这些机器定期监测大片天空，对夜间发生的任何异常情况保持数字化的关注。在过去的十年左右，这种新发现的技术能力使天文学家每年能够发现数千个新的恒星爆炸——我们每周发现的新超新星数量与整个20世纪所见的数量一样多。

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我们不仅收集了更多的超新星，而且还发现了奇异的新物种。一些恒星爆炸异常明亮，比普通超新星亮100倍；另一些则暗淡100倍。有些是深红色的；另一些是紫外线的。有些能明亮地闪耀数年；另一些则在几天内消失。恒星的死亡结果比我们意识到的要多样得多。

天文学家仍在试图弄清楚是什么驱动了这些奇怪的恒星爆炸。显然，它们正在告诉我们一些关于恒星生与死的重要信息，以及关于在温度、密度和引力最极端条件下的物理学。通过研究各种各样的超新星，我们希望最终了解是什么导致恒星坍塌并转变为死亡的恒星遗骸，如黑洞。

超新星也教会了我们一些关于我们自身起源的知识。大爆炸之后，宇宙主要包含最轻的原子：氢和氦。根据理论，我们遇到的一切其他物质——我们骨骼中的钙，血液中的铁——都是在爆炸的恒星中融合并喷射出来的。科学家们过去认为，普通的超新星创造了所有最重的元素，但对如此多不寻常的爆炸的发现现在表明，元素周期表上不同的方格可能具有不同的起源点。通过观察大量不同的超新星，我们越来越接近于确定各种恒星爆炸如何促成了构成我们星球及其所有生命的元素混合物。

恒星灾难

为了理解我们正在发现的一些超新星有多么奇怪，让我们首先考虑典型的超新星，它本身就是一个非常非凡的现象。恒星是一种稳定的核反应堆：一个巨大的等离子体球，通过引力结合在一起，并由其压缩核心中的核聚变提供动力。来自聚变的热量提供了一种压力，可以抵消引力的向内拉力。超新星爆炸代表了这种力平衡中的某种灾难性不稳定——引力对核燃烧的失控胜利，反之亦然。

最常见的超新星类型发生在质量为太阳10倍或更多倍的中等大小的恒星中。这些恒星可以存在数百万年，不断地将氢聚变成越来越重的元素。一旦它们将内部燃烧成铁（本质上是核灰），聚变就无法继续。没有这种向外的压力，恒星最内部的核心在引力的作用下坍塌，体积压缩一百万倍，转变成一种超高密度的核块，称为中子星，它将比太阳质量更大的质量压缩到一个不超过几英里宽的区域。自由落体释放出的巨大能量将恒星的其余部分炸开。

为了了解典型超新星爆炸所涉及的能量，想象一下我们的太阳在几秒钟内就烧掉了其全部的氢供应——足以维持100多亿年的燃料。如此巨大的能量是用它自己的物理单位来量化的：1贝特（以诺贝尔奖获得者汉斯·贝特命名）。当超新星爆炸时，恒星内部温度升至华氏50亿度以上，驱动超音速冲击波，在其身后留下硅、钙、铁和放射性同位素镍、钴和钛等新鲜融合的重元素的残骸。在几分钟内，恒星炸裂成一团灰烬和放射性碎片云，以每小时2000万英里或光速的百分之几的速度喷射出去。

幸运的是，我们自己的太阳太小，永远不会变成超新星，但如果它真的变成了超新星，地球上的第一个迹象将是一阵短暂的强烈X射线爆发，这将杀死地球上的所有生命。几分钟之内，太阳碎片云的体积将增加一倍，并变得比太阳亮约1000倍。几个小时后，云层将吞没地球，一天后，它将吞噬木星和土星。几周后，太阳灰烬将遍布整个太阳系。到那时，碎片云最终将变得半透明，被压抑的光将倾泻而出，达到约十亿太阳光度的峰值亮度，然后逐渐消失。

天文学家几乎从未捕捉到超新星爆炸本身短暂的X射线爆发，而且我们也很少能挖掘出爆炸前原始恒星的存档照片。我们通常看到的只是余波：那团巨大的、膨胀的、放射性的碎片云，它在数周或更长时间内发出可见光。通过检查灰烬，我们试图拼凑出一个关于什么类型的恒星被摧毁以及原因的故事。

异常明亮

在最近发现的奇异超新星动物园中，也许最引人注目的是超高能爆炸——我称之为超新星——它们比普通超新星亮100倍以上。它们是迄今为止发现的最亮、最遥远的超新星，几乎在整个可观测宇宙中都可见。这种事件极其罕见；大约每1000颗普通超新星中才会发生一次。天文学家没有确凿的证据来解释为什么这些爆炸如此明亮，但有三种主要的理论。其中一种理论可能解释了我们看到的大部分或全部超新星，但更有可能的是，这三种情景都会以一定的频率发生。

粒子对超新星。 自然而然地，许多人试图将超新星与质量极大的恒星联系起来。理论表明，非常大的恒星实际上是相当脆弱的角色，容易受到各种不稳定性的影响。特别是，质量在太阳质量150到250倍之间的恒星，其核心可能会变得非常热，以至于产生大量的物质-反物质粒子对（即电子和正电子）。产生这些粒子会消耗能量，这会消耗恒星的向外压力，并导致其核心（仍然装满可燃核燃料）坍塌。结果将是灾难性的。核心的压缩将加速核聚变失控，几乎烧毁所有可见的东西。突然释放的能量——高达100贝特——将逆转坍塌并完全炸毁恒星。什么都不会留下。

这些最巨大的核爆炸将产生比普通超新星放射性强1000倍的碎片云。由于云层也被认为是极其巨大和不透明的，光线将需要一年或更长时间才能扩散出来。因此，我们预计这些爆炸的余波将非常明亮且持久。最近发现的一些超新星具有这些特性，这导致一些天文学家声称我们已经目睹了一颗巨星被微观粒子对的侵扰杀死。其他人则不同意，认为用不同的理论可以更好地解释数据。未来对如此明亮和持久事件的观测，有望更好地揭示恒星碎片云的成分和速度，并告诉我们这种情况是否真的会发生。

虚惊一场的超新星。 解释超新星的另一种想法是，它们起源于质量略低的恒星（大约太阳质量的70到150倍）。人们认为这些恒星与它们质量更大的同类一样容易受到类似的不稳定性的影响，但条件通常没有那么严重；在恒星开始坍塌并点燃过量燃烧后，它可能会反弹、重新膨胀并阻止核反应失控，从而恢复到另一天的生存状态。然而，在重新获得平衡的过程中，恒星可能会吹掉很大一部分外层，从而产生超新星“冒名顶替者”——一种类似于暗淡超新星的爆发，但实际上只是一种濒死体验。

质量在这个范围内的恒星可能会经历几次这样的打嗝，每次都会损失更多的物质，直到它们最终耗尽核燃料并像普通的超新星一样爆炸。当这样一颗恒星最终死亡时，它会将碎片喷射到一个被先前爆发的物质外壳污染的环境中。超新星碎片云与这些外壳的猛烈碰撞应该会产生极其明亮的焰火，这可以解释一些超新星。

自动化巡天最近记录了一颗大质量恒星生命中狂躁的最后几年。2009年，天文学家注意到一颗看似相当普通的超新星，如果说暗淡的话。它被命名为SN2009ip，在几周内就消失了，并且基本上被遗忘了。一年后，令所有人惊讶的是，在完全相同的位置又观测到一颗暗淡的“超新星”。显然，这颗恒星还没有死亡。2012年，天文学家看到了第三次爆发，然后，一个月后，又看到了非常明亮的一次爆发。

一些科学家认为，倒数第二次爆发是恒星真正的死亡，而最后一次、最明亮的爆发是超新星碎片云撞击先前濒死喘息中物质的结果。其他人则认为，这颗恒星仍然活着，并将继续以进一步的爆发来娱乐我们。灰尘需要几年时间才能消散，但就目前而言，我们已经看到了我们认为构成一些大质量恒星生命终结的那种剧烈的不稳定性。

磁超新星。 最后，关于超新星的另一种思路认为，它们过度的亮度与极端质量的关系不大，而与极端旋转的关系更大。质量超过太阳质量10倍的恒星最有可能产生普通超新星，这些超新星在死亡时形成中子星。如果这样一颗恒星最初旋转速度很快，那么坍塌可能会使中子星旋转到极快的速度，就像一个旋转的花样滑冰运动员将手臂收进来加速一样。原则上，中子星的旋转速度可以达到每秒1000转——快得多，恒星就会被离心力撕裂。储存在这样一个巨大的旋转陀螺中的动能是巨大的——高达10贝特。

如何利用这种自旋能量来驱动超新星？中子星拥有巨大的磁场，可以传输能量。为了理解这一点，想象一下在你的手掌中旋转一块冰箱磁铁。当你这样做时，你会扭曲它周围的磁场。尽管你看不见也感觉不到它，但你消耗掉的一些能量会以电磁波纹的形式被带到太空中。我们认为同样的过程发生在更大规模的中子星周围。最引人入胜的视觉例子是蟹状星云，这是中国天文学家在公元1054年报告的超新星遗迹。今天，我们从星云中看到的光是由一颗旋转的中子星提供的动力，这颗中子星产生了一个磁化等离子体的漩涡。在1000年的时间里，扭曲的磁场已经提取了中子星的自旋能量并加热了周围的气体，为美丽的景象提供了动力。

大约五年前，我在加州大学圣巴巴拉分校的同事拉斯·比尔德斯滕和我提出，这个过程的增强版可能解释了超新星的高亮度。中子星需要拥有比蟹状星云中的磁场强100到1000倍的磁场，并且以接近破裂速度极限的速度旋转。对于这样一颗恒星来说，几乎所有的自旋能量都可能在一个月内耗尽，导致超新星碎片云的亮度比蟹状星云亮一百万倍。尽管这些数字听起来很极端，但我们已经观测到一些具有可比磁场的中子星（尽管还没有超新星阶段的中子星）。它们被称为磁星，并且拥有宇宙中已知的最强磁场。因此，超新星有时可能预示着快速旋转磁星的诞生和迅速减速。

出乎意料地暗淡

在超新星光谱的另一端，天文学家最近还发现了性能不佳的超新星的奇怪现象。广域巡天发现了奇怪的超新星，它们比普通事件暗淡100倍。科学家们正在争论是什么导致了这些微弱的爆发，但怀疑其中一些是曾经存在过的最大质量恒星的令人惊讶的微弱临终喘息。

失败的超新星。 目前尚不清楚恒星的质量能有多大，但可以想象，有些恒星可能达到太阳质量的300到1000倍（甚至比我们认为可能因粒子对而爆炸的超大质量恒星还要大）。人们可能期望这些庞然大物产生有史以来最壮观的超新星爆炸。实际上，它们可能是哑弹。这样一颗恒星的引力是如此之强，以至于一旦它变得不稳定，完全坍塌就不可避免了。内陷最终应该会在时空中撕开一个洞，形成比中子星更致密的东西：黑洞。

理论模型表明，恒星的大部分将被黑洞吞噬，并突然从视野中消失。这种假设的非事件被称为无新星。模型表明，不仅质量极大的恒星会成为超新星失败者——一些中等大小的恒星也会爆炸失败并萎缩成黑洞。自动化巡天正在以一种倒退的方式寻找无新星：不是在天空中寻找突然的光，而是寻找一颗瞬间熄灭的明亮恒星。

中子星碰撞。 另一种光度不足的爆发可能来自一种非常不同的极端事件：两颗中子星的碰撞。大质量恒星经常成对诞生并相互绕轨道运行。这些恒星将一个接一个地变成超新星，如果这对恒星没有被甩开，那么剩下的就是一个由两颗中子星组成的双星系统（或一颗中子星和一个黑洞或两个黑洞）。随着时间的推移，这两个致密天体应该螺旋式地越来越近，最终碰撞并合并成一个更大的黑洞。最近对两个黑洞合并产生的引力波的发现证实了这一过程。当两颗中子星融合时，计算表明，极端的引力（大约是地球引力作用在我们身体上的100亿倍）足够强大，可以将大约1%的恒星表皮剥离并甩到太空中（剩下的99%进入黑洞）。

这种逃离黑洞的一小部分物质很可能是奇异的东西——一种气化的离解粒子海洋，主要是中子，以及一些质子和电子。随着气体减压，粒子应该开始结合在一起形成更重的原子核。质子会因为它们的正电荷而相互排斥，但中子没有电荷，并且更容易附着到其他粒子上。通过逐渐添加中子，原子核应该变得越来越重，从而产生元素周期表下半部分的一系列元素，如金、铂和汞，混合到各种放射性废物的池中，包括铀和钍。中子星碰撞是科学家们认为可以在宇宙中形成这些重元素的少数几个地方之一。

放射性物质的丰富应该会导致碎片云像超新星一样发光。但是由于所涉及的质量相对较小（不到超新星中发现的质量的1%），我们预计光线会比普通超新星暗淡约100倍，并且只会持续几天。我最近与我在加州大学伯克利分校的研究生詹妮弗·巴恩斯所做的理论工作表明，这种云中重金属的特殊成分应该使光芒呈现出独特的颜色，要么是深红色，要么是红外色调。这种现象被称为千新星。

最近，天文学家可能首次看到了来自中子星碰撞的这种放射性红色“烟雾”。2013年6月，一阵短暂的伽马射线爆发提醒天文学家可能发生附近的中子星合并。他们将哈勃太空望远镜指向该地点，并捕捉到短暂的红外辉光。几周后它就消失了。数据稀少，但与千新星外观的理论预测相符。如果这种识别是正确的，这将是我们第一次直接目睹重金属贵金属的产生。我们希望观察到更多这样的事件，以更好地确定这些爆炸合成的金属量，以及它们是否可以解释宇宙中全部或部分金、铂和其他重元素的丰度。

混沌宇宙

我们对动态宇宙的研究才刚刚开始。在十年左右的时间里，新的自动化望远镜，如圣地亚哥附近即将上线的兹威基瞬变设施、智利正在建造的大型综合巡天望远镜和NASA计划发射到太空的广域红外巡天望远镜，将能够每隔几个晚上扫描大部分天空，发现的超新星数量将是我们目前发现的数百倍。与此同时，现代超级计算机正变得能够对这些事件进行详细的三维模拟，使我们能够可视化可能发生在爆炸恒星核心深处的事情。

未来几年收集的数据将挑战我们关于多种类型恒星死亡的理论。这里描述的每种情景在物理上都是合理的，但尚未得到证实。通过对不寻常超新星的更多观测，我们希望确定这些爆炸的可能性中哪些实际上在自然界中实现了。最有可能的是，宇宙将比我们想象的更奇怪，揭示出比我们迄今为止梦想的更奇异的现象。

最终，我们也将能够讲述一个更丰富的关于构成我们身体和周围世界的物质的故事。例如，你手指上的金戒指的历史可以追溯到你的祖先之前。这种物质可能最初漂浮在一颗大质量恒星的炼铁炉中，这颗恒星衰落、坍塌并压缩成一颗致密的中子星。很久以后，也许在十亿年后，中子星可能会撞到另一颗致密星，将一团放射性废物云喷射到太空中。那团以每小时6000万英里的速度飞驰的云，将穿越银河系1000多光年，沿途与其他气体混合，直到最终沉降到地球的地壳中。过了一段时间，人们挖出了那些恒星瓦砾，塑造成戒指，并开始讲述他们自己的故事。