潛入海底，探尋超新星的“足跡”

□　文　柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

潛入海底，探尋超新星的“足跡”

□文柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

當(dāng)超新星的沖擊波來到地球

今夜仰望星空，你會看到一個和平而寧靜的宇宙。除掉地球自轉(zhuǎn)的影響，恒星在天空中的位置是固定的，行星則在近圓的軌道上繞著太陽運(yùn)行，不時還能看到幾顆流星。不過歷史記載告訴我們，夜空并不一直是這樣黑暗和平靜，偶爾，大質(zhì)量恒星會發(fā)生爆炸而形成肉眼可見的超新星——有時甚至在白天也可以看到。

在史籍中，中國的天文學(xué)家精確地描述了天空中出現(xiàn)的超新星的各種性質(zhì)。這對現(xiàn)代天文學(xué)家確定超新星遺跡及其年齡大有幫助。著名的例子如超新星SN185，它于公元185年被中國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)；超新星SN1006，發(fā)現(xiàn)于公元1006年；以及也許是最著名的超新星SN1054（于公元1054年發(fā)現(xiàn)）。SN1054的遺跡現(xiàn)在被稱為蟹狀星云，在它的中心是一顆年齡還不到1000歲的脈沖星。在現(xiàn)代的記錄中，最著名的則當(dāng)屬超新星SN1987A，它于1987年爆發(fā)于大麥哲倫星系。這是第一顆能夠用（陸基和太空中的）現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡詳細(xì)觀測的超新星。盡管這幾顆超新星都很明亮，好幾顆在白天都能看到，不過，幸運(yùn)的是它們離我們還是很遠(yuǎn)的，并不會對地球和地球上的生物有什么影響。

而鄰近的超新星——距我們幾十到幾百光年遠(yuǎn)——則更具破壞性得多。首先，所有超新星都能產(chǎn)生的高能伽馬射線會對地球上所有的動植物產(chǎn)生毀滅性的影響。除此之外，伽馬射線在高層大氣中引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生有毒的氮氧化物。而且，這些伽馬射線可以在幾天之內(nèi)摧毀地球的臭氧層，讓所有生物暴露在來自太空（包括太陽）的危險射線之下。好在，這種災(zāi)難性的事件非常罕見，也許從地球誕生以來也只發(fā)生過為數(shù)不多的幾次。越遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)也就越常見，但它們在地球上留下的痕跡也越少。

圖中是超新星S N1006爆炸后的遺跡，在天空中的跨度為60光年，位于豺狼座天區(qū)。它距離我們7000光年遠(yuǎn)，所以實(shí)際上地球上的人們在公元1006年看見的光是其在7000年前發(fā)出。圖中藍(lán)色結(jié)構(gòu)來自錢德拉X射線天文臺的X波段數(shù)據(jù)，黃色結(jié)構(gòu)來自光學(xué)波段的數(shù)據(jù)，紅色結(jié)構(gòu)來自射電波段數(shù)據(jù)。圖片來源：APOD

蟹狀星云是1054年一顆超新星爆發(fā)的結(jié)果，中國天文學(xué)家詳細(xì)地記錄了這顆超新星爆發(fā)的經(jīng)過。那顆曾經(jīng)巨大的恒星，現(xiàn)在只剩下了拋射出的彌散的物質(zhì)（圖中可以看到的星云）和一顆暗弱的中子星（圖中看不到）。正如讀者在圖中可以看到的，超新星的星風(fēng)還沒有吹到很遠(yuǎn)的地方，因?yàn)樗鼊倓傞_始吹拂不到一千年而已。它的激波到達(dá)地球要花上數(shù)百萬年的時間，那時，它的能量已經(jīng)消耗殆盡，我們遙遠(yuǎn)的子孫也幾乎不會注意到它了。圖片來源：NASA/ESA

超新星爆發(fā)的證據(jù)——鐵族元素

地表附近存在的鐵-60可以為近期爆發(fā)的超新星提供間接的證據(jù)。鐵-60是鐵的一種放射性同位素，半衰期約260萬年。這就是說，如果鐵-60降落到地球表面，其中的一半將在260萬年之后不復(fù)存在。而剩下的一半，其中的又一半將會在下一個260萬年之后不復(fù)存在。這種指數(shù)式衰變的結(jié)果是，幾千萬年之內(nèi)，幾乎所有的鐵-60都將不復(fù)存在。這些鐵-60會衰變?yōu)榉浅２环€(wěn)定的鈷-60，然后幾乎立刻衰變成穩(wěn)定的鎳-60。因此不妨說，鐵-60是鎳-60的放射性祖先。孤立地研究巖石樣本中的鐵-60，是無法弄清它最初在這塊巖石中的含量的，因而也無法得知巖石的年齡。但是，同時測量鐵-60和鎳-60在巖石中的含量并且進(jìn)行比較，就能非常精確地得到最初鐵-60的含量，并由此得出巖石的年齡。這種方法稱為放射性定年法，也是一種在地質(zhì)學(xué)和考古學(xué)中普遍使用的技術(shù)。

那么，鐵-60要怎么才能幫助我們探索宇宙的秘密呢？原來，我們知道，宇宙中只有一個地方能夠產(chǎn)生出鐵-60：那就是大質(zhì)量恒星生命結(jié)束時發(fā)生的超新星爆發(fā)。因此，當(dāng)我們在地球表面探測到鐵-60，我們就知道，它一定來自一場超新星爆發(fā)。由于鐵-60會隨時間不斷衰變，我們必須同時對伴隨而來的衰變產(chǎn)物進(jìn)行測定，這樣就能確定最初鐵-60的含量，以及它是何時到達(dá)地球的。有多少鐵-60能夠到達(dá)地球，這取決于超新星爆發(fā)的強(qiáng)烈程度以及它到我們的距離。爆發(fā)不能太遠(yuǎn)，否則它所產(chǎn)生的幾乎所有的鐵-60在到達(dá)地球之前就已經(jīng)衰變完了。這顆超新星也不能太近，因?yàn)槟菢拥脑?，地球的大氣層就會受到破壞?/p>

來自德國、澳大利亞和美國的幾個研究團(tuán)隊提出了天才的設(shè)想，利用鐵-60在地球表面的豐度，揭示這顆可能的鄰近超新星的更多信息：真的有這樣一顆鄰近超新星嗎？它是什么時候、在哪里爆發(fā)的？

在塵埃帶的縫隙中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆超新星的身影——SN2016adj。右上方小圖叉絲標(biāo)示的就正是這顆超新星，就在它的身邊還緊貼著一顆銀河系內(nèi)的明亮前景星（位于超新星右側(cè)）。高清大圖中的數(shù)據(jù)來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，小圖則來自地面拍攝的影像。對這顆超新星的跟進(jìn)觀測，將幫助我們了解大質(zhì)量恒星演化的秘密以及地球上某些元素形成的原因。圖片來源：APOD

測量超新星塵埃的遺跡

一顆超新星在爆發(fā)時，會向四面八方拋射出整個星體的全部物質(zhì)（恒星塵埃）。而其中的一些能夠到達(dá)地球，并且沉積在地球表面，它們（至少在理論上）能夠被我們探測到。前文三支科研團(tuán)隊花了很大力氣測量這些塵埃。他們潛入海底之下很深的地方，尋找那些被封存了幾百萬年的物質(zhì)。在大海底部鉆探地層的好處是，我們可以從另外一個角度（除了上述的鐵-60定年法）大致地框定塵埃的年齡。這三支隊伍分別在夏威夷附近太平洋、冰島附近大西洋和澳大利亞附近印度洋的海底測量了鐵-60的含量。他們各自獨(dú)立進(jìn)行了樣本分析，并把得到的結(jié)果進(jìn)行比較。就像科學(xué)研究中經(jīng)常出現(xiàn)的那樣，這些樣本給出的結(jié)果并不一樣：每一份海底樣本測出的鐵-60含量都不同。不過，測定的年齡卻基本一樣：這些鐵-60看來都是在約220萬年前降落到地球表面的。

那么，這些沉積的鐵-60怎么會測出幾乎相同的年齡，含量卻大相徑庭呢？讀者也許已經(jīng)猜到了答案：在地球各處沉積的鐵-60含量不同，其實(shí)只是因?yàn)轱L(fēng)、水流等簡單的物理過程的作用。這聽上去很直白，但要模擬這些過程卻非常困難。

模擬恒星塵埃的流動

三個團(tuán)隊的科學(xué)家想要了解這些恒星塵埃（尤其是其中含有的鐵-60）經(jīng)歷的更多細(xì)節(jié)——從它們被超新星中拋射出來起，直到它們沉積在地球上三個大洋的海底為止。為此，他們開發(fā)了能夠模擬全部這些過程的計算機(jī)程序。

也許你會奇怪，通過研究海底之下積壓的爛泥，怎么可能就確定了一顆早在幾百萬年之前爆發(fā)的超新星的各種性質(zhì)呢？確實(shí)，這是個很大的挑戰(zhàn)，但好在目前的地質(zhì)學(xué)和天體物理學(xué)已經(jīng)比以前進(jìn)步了非常多。

第一步要做的是建立超新星爆發(fā)的模型。具體來說，就是建立不同種類、離地球不同距離的恒星爆發(fā)的模型。第二步是對從拋出塵埃（其中含有鐵-60）的超新星到太陽系外圍之間傳播的超新星激波進(jìn)行模擬。當(dāng)這些物質(zhì)來到太陽系附近時，它們的軌跡會由于太陽引力以及強(qiáng)烈的陽光所產(chǎn)生的輻射壓而發(fā)生彎曲。隨著這些塵埃進(jìn)入太陽系，它們也依次進(jìn)入了氣態(tài)巨行星、地球和月球引力場的范圍。在它們接近我們地球的最后階段，地球的磁場也會對它們產(chǎn)生影響（不要忘記我們這里討論的是有磁性的物質(zhì)——鐵）。

進(jìn)入地球大氣層之后，風(fēng)會把這些塵埃吹向地球各處。它們的最終歸宿，要么是直接落進(jìn)海洋，要么是落到陸地上，然后在雨水和河流的沖刷下流進(jìn)海洋。這些鐵-60隨著洋流在海洋中游蕩，并且漸漸沉到海底。經(jīng)過幾百萬年，新的沉積物和生物的遺體、糞便把這些鐵-60壓在數(shù)十米厚的泥沙之下。來自超新星的物質(zhì)成分會在這種狀態(tài)下封存上百萬年，（也就是說，它們不會跟其他的物質(zhì)混合，）只是其中的鐵-60將會緩慢地衰變?yōu)殁?60，然后衰變成鎳-60。

所有這些——引力、磁場、風(fēng)和水流——的變化，把這些塵埃分散到整個地球表面，因此很難確定它們的來源。尤其是，這些過程還跟塵埃顆粒的大小和所帶的電荷密切相關(guān)。不僅如此，事情實(shí)際上還要更復(fù)雜。那就是，這些富含鐵-60的氣體和塵埃并不是一次性到達(dá)地球的，而是持續(xù)了一段漫長的時期。這場地球上的鐵-60“雨”也許“下”了超過10萬年。這意味著，地球已經(jīng)繞太陽公轉(zhuǎn)了10萬圈，而繞著地軸自轉(zhuǎn)了超過3600萬圈。盡管如此，這場超新星襲擊對于北半球和南半球來說仍然是有差異的。另外，考慮到地軸的進(jìn)動（地軸傾斜方向和角度的周期性變化），超新星的“風(fēng)雨”實(shí)際上相當(dāng)于是從多個方向傾瀉到地球上的。當(dāng)然，另一方面，我們在海底發(fā)現(xiàn)的鐵-60為這顆超新星的距離和出現(xiàn)的時間提供了非常準(zhǔn)確的證據(jù)。200萬年并不是很長的時間，我們可以環(huán)視整個天空，尋找這顆超新星爆發(fā)的位置。

科學(xué)家在地球上三個不同位置——冰島（左）、夏威夷（中）和澳大利亞（右）——的海底之下獲取了鐵-60的樣本。本圖顯示了計算機(jī)對一顆在南天極附近爆發(fā)的超新星的模擬結(jié)果。不同顏色指示出預(yù)測到達(dá)地球不同位置的鐵-60的量。這顆超新星或許在長達(dá)10萬年的時間里不斷向地球輸送它的物質(zhì)，這期間，地球已經(jīng)自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)了很多圈，地軸的方向也進(jìn)動了很多。其結(jié)果是，到達(dá)南半球不同地方的物質(zhì)幾乎是一樣多的。現(xiàn)在圖中顯示的結(jié)果則是考慮了這些塵埃到達(dá)地球之后，經(jīng)過了風(fēng)、水流、化學(xué)、生物以及沉積等各種過程影響之后的分布結(jié)果。圖片來源：The Astrophysical J ournal

在半人馬座和南十字座天區(qū)一個由年輕恒星組成的星協(xié)（天蝎-半人馬星協(xié)，離我們最近的OB星協(xié)之一）中，可能存在著一個爆發(fā)于280萬年前的超新星，它拋出的含有鐵-60的塵埃在220萬年前到達(dá)地球。盡管這個OB星協(xié)中質(zhì)量最大的那些恒星已經(jīng)爆發(fā)，但仍然有很多質(zhì)量相當(dāng)大、相當(dāng)明亮的恒星留了下來，其中的很多構(gòu)成了這片天區(qū)主要星座的基本形狀。圖片來源：Akira Fuji/ David Malin images

結(jié)合海底之下鐵-60的測量結(jié)果，根據(jù)風(fēng)、水流、地質(zhì)學(xué)、引力場、磁場、地球的軌道、地軸指向、放射性過程的知識，以及太陽附近不同地方恒星形成區(qū)的信息，三個研究團(tuán)隊確定了這顆超新星的前身星所在的三個可能的位置。研究者認(rèn)為，其中最有可能的是杜鵑座-時鐘座（Tuc-Hor）方向。按照最佳擬合的模型，這次爆發(fā)于280萬年前發(fā)生在這塊天區(qū)，它的激波于220萬年前到達(dá)地球。因此，這些富含鐵-60的塵?；舜蠹s80萬年到達(dá)地球（以將近100千米/秒的速度），而其中的一部分鐵-60在途中已經(jīng)衰變了。不過，必須注意的是，無論樣本測量還是計算機(jī)模擬，目前都有相當(dāng)大的誤差，很難確鑿地認(rèn)定爆發(fā)就是發(fā)生在杜鵑-時鐘座天區(qū)。

去我們最近的“鄰居”那兒試著找找看

要是能找一個地方，在那發(fā)生的上述物理過程不那么復(fù)雜，那么確定超新星的各種性質(zhì)就變得容易多了。真的有這樣一個風(fēng)、水、地質(zhì)變化和生物活動不會那么厲害地擾亂測量和計算的地方嗎？其實(shí)，這樣的地方還真是存在的：那就是我們的衛(wèi)星——月球！距我們僅36萬千米。這聽上去很棒，是不是？唯一的問題是，為了區(qū)區(qū)一顆兩百萬年前爆發(fā)的超新星特地去月球上挖樣本，實(shí)在有點(diǎn)不劃算。好在，現(xiàn)在的很多研究所和博物館里，就有來自月球的樣本。于43年前結(jié)束的美國“阿波羅”探月項目一共把800磅月球巖石帶回了地球。（事實(shí)上，北京現(xiàn)在也保存著其中的一小塊。）這些月巖采自月球上不同的位置，它們也可用來進(jìn)行鐵-60衰變的研究。科學(xué)家已經(jīng)提出了另外的研究項目，其中就包括這項化學(xué)分析的工作。目前，上述的三個研究團(tuán)隊正在就測量月球樣本展開一場競爭，無疑，他們都想成為第一個發(fā)表結(jié)果的人。

鐵-60（以及它的放射性后代鎳-60）在月球表面分布的預(yù)測值，分別對應(yīng)于兩個最可能的超新星爆發(fā)地：天蝎-半人馬星協(xié)（左圖）和杜鵑-時鐘座天區(qū)（右圖）?！鞍⒉_”登陸點(diǎn)用數(shù)字標(biāo)出，帶回地面的月球樣本正是在這些地點(diǎn)獲得的。由于月壤不受風(fēng)和水流的影響，通過測量鐵-60在不同地點(diǎn)樣本中的含量，就有可能確定超新星爆發(fā)的天區(qū)。圖片來源：The Astrophysical J ournal

超新星與生命

超新星爆發(fā)是恒星在生命演化結(jié)束時發(fā)生的一次大規(guī)模爆發(fā)事件。圖片來源：NASA

我們生活在一個活動著的宇宙中，恒星無時無刻不在誕生和死亡。在我們的銀河系里，平均每年就有一顆新的恒星誕生。大多數(shù)恒星會經(jīng)歷漫長的一生，然后安靜地死去。而大約百分之一的恒星（在銀河系中，平均一個世紀(jì)一顆）會在一場超新星爆發(fā)中結(jié)束自己的生命。這些超新星爆發(fā)會對地球造成破壞——當(dāng)然，它們也會對銀河系里其他可能的文明造成破壞。平均每個世紀(jì)一顆超新星，這意味著自銀河系誕生以來，已經(jīng)爆發(fā)了大約一億顆超新星。其中的每一顆都會給它周圍一小塊區(qū)域里的所有行星來一次“消毒”，消滅上面所有的生命。這些爆發(fā)加在一起，就會影響我們在銀河系中發(fā)現(xiàn)生命的可能性，也潛在地增加了地球歷史上出現(xiàn)各種生命形式的困難。