宇宙中最壯麗的煙花

高丙水

當(dāng)你晚上仰望星空時，有沒有想過這滿天的繁星其實是有生命的？當(dāng)它們走到一個演化周期的盡頭，會以不同的方式結(jié)束自己的生命。超新星爆發(fā)就是恒星結(jié)束自己生命歷程的一種方式，它用極其絢麗的“煙花”為自己的一生閉幕。在超新星爆發(fā)過程中，恒星會在瞬間釋放巨大能量，亮度也隨之劇增，以至于整個銀河系都能看到它的光輝，可以稱之為“宇宙中最壯麗的煙花”。

超新星的巨大威力

超新星在爆發(fā)過程中瞬間釋放的能量高達10*焦耳。我們可能對這個數(shù)字沒有什么直觀的概念，還是舉個例子吧——

看過《流浪地球》的人，一定對電影中的“行星發(fā)動機”印象深刻。為了推動地球逃離太陽的引力束縛，全球各地興建了大量行星發(fā)動機，就是為了使地球加速到第三宇宙速度（16.7千米/秒）。地球脫離太陽系后，“行星發(fā)動機”全功率開啟，將用500年的時間將地球加速至光速的5%o可，見要讓地球去流浪還是非常困難的。那么假如超新星爆發(fā)中釋放的能量全部用來給我們的地球加速，可以達到什么速度呢？答案是299792457.5米/秒，而光速是299792458米/秒，也就是說距離光速只剩一步之遙，只差0.5米/秒。

這樣一比較，就對超新星爆發(fā)的威力有點兒概念了吧？可以說，我們用超超超超級核爆來形容超新星爆發(fā)一點兒都不為過。

美國宇航局（NASA）的斯皮策和錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡，以及西班牙的卡拉阿爾托天文臺拍攝到了這張超新星遺跡的圖像。這張合成圖像結(jié)合了紅外線和x光的視野，被NASA稱為“熾熱的膨脹碎片云”

地球附近的超新星爆發(fā)

超新星爆發(fā)在整個銀河系中并不多見，每個世紀(jì)發(fā)生一兩次。在幾百萬年以前，地球附近就可能發(fā)生過超新星爆發(fā)事件。這聽起來可能有點駭人聽聞，但這起事件是有科學(xué)證據(jù)的。那么，我們是怎樣知道那么多年以前發(fā)生的超新星爆發(fā)事件的呢？這里就需要感謝鐵元素的一個同位素：鐵-60。

提到鐵大家并不陌生，日常生活中的鐵到處都是，我們平常接觸到的鐵大部分（90%以上）都是鐵-56，另外還有少量的鐵-54、鐵-57和鐵-58，并沒有鐵-60，因為它的半衰期跟地球的年齡比起來實在是太短了，只有大約260萬年。也就是說，每過260萬年，鐵-60的數(shù)量就會減少（衰變掉）一半，而目前地球的年齡是大約45億年，即使一開始地球上有鐵-60存在，到現(xiàn)在也都全部衰變完了。

然而有趣的是，科學(xué)家利用非常靈敏的加速器質(zhì)譜技術(shù)，居然在太平洋底的巖石表層里發(fā)現(xiàn)了微量鐵-60的存在（每個樣品中發(fā)現(xiàn)了幾十個鐵-60原子）。而這些鐵-60原子并不是均勻分布在這些巖石樣本中的，而是只存在于某一特定深度下，這就引起了科學(xué)家們的極大興趣。

我們知道，海底巖石中不同深度的樣本記錄了不同年代的考古學(xué)信息，就像樹的年輪記錄了不同年份的氣候情況一樣。既然這些鐵-60原子不可能來自地球形成初期，那么它們又是從哪兒來，為什么會出現(xiàn)在地球上呢？

目前最合理的解釋是——地球上所發(fā)現(xiàn)的這些鐵-60原子，來自很久以前地球附近發(fā)生的某次超新星爆發(fā)事件?？茖W(xué)家通過分析鐵-60原子在海底巖石樣本中出現(xiàn)的深度信息，發(fā)現(xiàn)該超新星爆發(fā)事件發(fā)生在大約300萬年以前。無獨有偶，科學(xué)家們分析了20世紀(jì)“阿波羅”號探月飛船帶回來的月巖樣本，也同樣發(fā)現(xiàn)了鐵-60的痕跡。因比，地球附近發(fā)生過超新星爆發(fā)的猜想得到了進一步的證實。

鐵-60的合成

好奇的你可能在想：鐵-60是怎么產(chǎn)生的？它們又是怎么跑到地球上的呢？

這個故事還得從頭說起。在恒星誕生時，形成它的“原材料”中就有微量的鐵元素，這些鐵元素的成分和我們?nèi)粘Ｉ钪械蔫F類似，是不含有鐵-60的。在恒星演化的某些階段，這些鐵元素中的鐵一58會吸收一個中子，變成鐵-59。而鐵-59則有兩條路可走：一是通過β衰變，變成鈷的同位素鈷-59;二是再吸收一個中子，變成鐵-60。就是通過這種方式，恒星中實現(xiàn)了鐵-60從無到有的奇妙變化。

一些恒星演化到最后階段，會通過超新星爆發(fā)向宇宙中噴撒出大量物質(zhì)，其中就包括鐵-60。如果這個超新星爆發(fā)事件距離地球足夠近，就會有一些鐵-60原子飄落在地球上，最終在300萬年之后被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

細(xì)心的你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，雖然鐵-59可以變成鐵-60，但也只是其中一條路會才通向這種變化，另一條路是通往β衰變形成鈷-59的。那么鐵-59到底更喜歡走哪條路呢？

為了回答這個問題，科學(xué)家們必須通過實驗精確測量鐵-59的β衰變速率，以及它吸收中子的速率，通過比較二者的速率大小，就可以確定鐵-59走這兩條路的概率，這樣我們才能更清楚地知道地球上的這些天外來客鐵-60到底是從哪里來的，它們的故鄉(xiāng)距離地球有多遠(yuǎn)，甚至確定它們來自天上的哪顆星星。

這項研究內(nèi)容引起了天文學(xué)家、天體物理學(xué)家以及核物理學(xué)家濃厚的研究興趣，也是目前國際上的研究熱點之一。

超新星爆發(fā)對地球的影響

此外，300萬年前，那顆超新星爆發(fā)后，光顧我們地球的可不僅僅是鐵-60，還有各種各樣其他元素的同位素，以及大量的高能y射線等。而這些高能y射線能導(dǎo)致大氣上層的氮氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)氮氧化物，最終導(dǎo)致臭氧減少，使地球上的生物受到強烈的紫外線照射;同時，來自超新星的輻射還會引起大氣層的電離，可能導(dǎo)致雷電和其他一系列效應(yīng)，這對當(dāng)時地球的生態(tài)環(huán)境和全球氣候肯定造成了不小的影響。

有趣的是，大約在同一時期（250萬年以前），全球氣候也發(fā)生了劇烈變化，由較暖的上新世過渡到了較冷的更新世（亦稱冰川世），而人類也隨之出現(xiàn)。雖然目前我們尚不能確定超新星爆發(fā)和更新世的出現(xiàn)是否存在聯(lián)系，但這無疑是一項非常有意思的研究。

超新星可按爆發(fā)機制大致分為兩類：Ia型超新星爆發(fā)和核坍縮型超新星爆發(fā)（CCSN）。這里我們主要說的是后者CCSN