超新星及其蘊(yùn)含的科學(xué)秘密

李志宏 李歌星 王韓奎 李云居 宋 娜 陳 晨田竣文 董 超 李家英豪

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 101408）

3（浙江理工大學(xué) 杭州 310018）

超新星是自然界中威力巨大的恒星爆炸事件，其釋放的能量可達(dá)1046J［1-2］。爆發(fā)時(shí)恒星的光度會(huì)突然增大到原來光度的103萬倍以上，能夠照亮整個(gè)星系。在銀河系附近出現(xiàn)的超新星能夠被位于地球上的人們用肉眼看到。超新星出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)短不一，短的僅有幾天，長(zhǎng)的可持續(xù)數(shù)年，就像來去匆匆的過客。因此，我國(guó)古代把超新星稱作客星或變星。為了預(yù)測(cè)天氣、占卜吉兇，各朝代的司天臺(tái)對(duì)夜空中出現(xiàn)的客星都做下了詳細(xì)的觀測(cè)記錄，這些記錄對(duì)研究超新星具有重大的科學(xué)價(jià)值［3］。表1 列出了自古以來人們用肉眼看到的超新星，科學(xué)家們也用天文望遠(yuǎn)鏡找到了這些超新星的遺跡，并對(duì)它們進(jìn)行了分類。

根據(jù)觀測(cè)光譜的類型可以把超新星分成兩大類：I 類和II 類超新星。如果光譜中沒有氫譜線，被稱為I 類超新星，反之則被稱為II 類超新星［4］。I 類超新星又可分為Ia、Ib 和Ic 類超新星。Ia 類超新星有硅譜線，Ib類超新星沒有硅譜線而有氦譜線，Ic類超新星的光譜中既沒有硅譜線，也沒有氦譜線。II類超新星也可根據(jù)光變曲線的形狀被分為IIL和IIP類超新星。

Ia 超新星是密近雙星演化到最后的終極結(jié)果［5］。密近雙星的初始質(zhì)量都小于8 M⊙，質(zhì)量較大的恒星演化較快，經(jīng)過氫燃燒和氦燃燒過程，變成核心為碳和氧的白矮星。伴星因質(zhì)量小，演化稍慢，處于紅巨星或者主序星階段。根據(jù)超新星的爆發(fā)模型，隨著演化的進(jìn)展白矮星會(huì)吸積其伴星的物質(zhì)，并在周圍形成一層氫、氦外殼。獲得的能量將使白矮星的表面溫度升高，發(fā)生氫聚變和氦聚變，使得白矮星的核心在接近錢德拉塞卡質(zhì)量極限（1.4 M⊙）［6］時(shí)，達(dá)到碳的點(diǎn)火溫度并引發(fā)超新星爆炸。II 類超新星是質(zhì)量大于8 M⊙的恒星演化到終點(diǎn)的必然結(jié)局。大質(zhì)量的恒星經(jīng)過氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒、氖燃燒、氧燃燒和硅燃燒等一系列核燃燒階段形成一個(gè)鐵核心。開始時(shí)，鐵核心處于電子簡(jiǎn)并狀態(tài)。隨著核心收縮，引力增大，電子簡(jiǎn)并壓力無法抵抗引力的收縮使得電子被壓入鐵原子核中，使電子和原子核里的質(zhì)子結(jié)合為中子，形成以中子為主的恒星核心，用于抵抗引力的壓力也由電子簡(jiǎn)并壓力轉(zhuǎn)變成中子簡(jiǎn)并壓力。此時(shí)，核心的體積將快速收縮10萬倍，并釋放巨量的引力勢(shì)能。II 類超新星是自然界中最常見的恒星爆炸，約占當(dāng)今宇宙中所有超新星的一半。有大約1/4 的超新星是Ia 類超新星，另外1/4的超新星為Ib和Ic類超新星。天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，Ia超新星具有更高的亮度，并可作為宇宙測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

超新星中蘊(yùn)含著許多重大的科學(xué)秘密，努力去破解這些秘密可以極大地推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步，并加深人們對(duì)宇宙本源的認(rèn)識(shí)。本文將介紹如何利用超新星來研究宇宙年齡和組分、銀河系化學(xué)演化歷史、太陽系的形成以及生命起源之謎。

1 宇宙的年齡與成分

通過對(duì)超新星的觀測(cè)，我們可以獲得星系的紅移與距離關(guān)系，如圖1 所示。為了定量地解釋得到的距離-紅移關(guān)系，需要建立宇宙演化模型，并用這個(gè)模型來說明宇宙的形狀、尺寸、組成、特點(diǎn)和演化規(guī)律等等［7］。根據(jù)弗里德曼宇宙學(xué)方程［8］，宇宙膨脹率與物質(zhì)密度之間的關(guān)系可以表示為：

圖1 恒星的距離與紅移的關(guān)系Fig.1 Relationship between distance and redshift of stars

通過調(diào)節(jié)宇宙學(xué)參數(shù)，可以擬合出與天文觀測(cè)結(jié)果相符的距離-紅移關(guān)系。并進(jìn)一步獲得宇宙的年齡和尺度信息。根據(jù)最新的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以擬合出當(dāng)前宇宙中暗能量的組分為68.3%，暗物質(zhì)的量為26.8%，原子物質(zhì)所占的比例約為4.9%。也可以推導(dǎo)出宇宙的年齡為138 億年，宇宙的半徑約為465億光年。

事實(shí)上，存在著很多影響星系間距離與紅移關(guān)系的因素。比如，Ia 超新星的峰值光度會(huì)受到寄主星系的形態(tài)、質(zhì)量、年齡、恒星的形成率、宇宙的平均金屬豐度等參量的影響。一些物理原因（比如物理常數(shù)的變化與否）也會(huì)引起一些宇宙學(xué)參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致分析結(jié)果有很大的不確定性。前不久，我們分別研究了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化［9］和宇宙平均金屬性［10］對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)的影響，揭示了微觀和宇觀宇宙尺度之間更深層次的物理聯(lián)系，并導(dǎo)出宇宙正以更快速度膨脹的結(jié)論。

2 銀河系的化學(xué)演化

超新星的爆炸不僅釋放巨大的能量，也會(huì)向星際空間噴射物質(zhì)，從而成為驅(qū)動(dòng)星系化學(xué)演化的主要?jiǎng)恿?。大質(zhì)量恒星的一生中，會(huì)經(jīng)歷各個(gè)階段的核燃燒過程，致使重元素的豐度逐漸增加，恒星的平均金屬性越來越大。超新星的爆炸將使恒星在演化期間產(chǎn)生的化學(xué)元素被噴射到星際空間，導(dǎo)致星際介質(zhì)的金屬性也會(huì)越來越大。星際介質(zhì)也可以進(jìn)一步形成星云，凝聚成下一代恒星，并進(jìn)一步演化、循環(huán)下去。因此，可以從星際介質(zhì)或恒星表面物質(zhì)的金屬性追蹤星系化學(xué)演化的歷史過程。

放射性元素具有計(jì)時(shí)功能［11］，可以用來研究超新星爆炸的頻率和銀河系化學(xué)演化的規(guī)律。超新星爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些純r(jià)-過程的核素，這些核素的數(shù)目隨時(shí)間的變化規(guī)律如下［12-13］：

式中：Ni（t）為t時(shí)刻放射性核素i的數(shù)目；Ψ（t）為單位時(shí)間吸收的超新星拋射物質(zhì)的量或物質(zhì)的產(chǎn)生速率；Pi為r-過程產(chǎn)生的核素i的豐度，可以通過r-過程的模型計(jì)算獲得。假設(shè)銀河系中第一次超新星爆發(fā)的時(shí)間是零時(shí)刻，太陽系剛形成時(shí)為τ時(shí)刻。則有t=0 時(shí)，Ni（0）=0；t=τ時(shí)，Ni（τ）為太陽系原初核素?cái)?shù)目。為了獲得τ和銀河系物質(zhì)產(chǎn)生率的平均值，我們可以通過繪圖法來求解方程（3）。選擇4種純r(jià)-過程的核素：187Re、232Th、235U 和238U，結(jié)果示于圖2 中。可以看出，除232Th 的求解效果不太理想外，187Re、235U和238U的曲線完美地交叉在一點(diǎn)。我們可以因而獲得太陽系形成時(shí)銀河系的年齡為78億年，此數(shù)值加上太陽系的年齡46億年，表明銀河系中首個(gè)超新星爆發(fā)至今的時(shí)間，近似于的銀河系的年齡為124 億年［14］。該結(jié)果與動(dòng)力學(xué)模擬的大爆炸后星系形成年代是相符的。

圖2 銀河系中元素產(chǎn)生率與年齡間的關(guān)系Fig.2 Relationship between element production rate and age in the Milky Way

3 觸發(fā)太陽系形成的“扳機(jī)”和生命的起源之謎

超新星爆炸也可能是太陽系結(jié)構(gòu)形成的觸發(fā)“扳機(jī)”。有一種假說［15］認(rèn)為，積蓄了數(shù)十億年的太陽系原始星云突然遭遇一次超新星爆炸。超新星拋射的物質(zhì)被太陽系原始星云吸收，從而導(dǎo)致星云的凝聚和收縮。由于動(dòng)量守恒的約束，隨著星云的收縮，其旋轉(zhuǎn)速度越來越快，形狀越來越薄，呈現(xiàn)一個(gè)中心略鼓的圓盤形狀。星云的中心在引力的收縮下逐漸形成太陽，周圍較薄的地方形成太陽系的八大行星。根據(jù)動(dòng)力學(xué)模擬，這一形成過程大概持續(xù)約200 萬年。因此，半衰期為幾十萬年到幾百萬年的核素可以用來追蹤太陽系形成的歷史［16］。

Banerjee等［17］研究了太陽系早期10Be、41Ca、107Pd等幾種放射性核素的演化曲線（圖3）。他們發(fā)現(xiàn)，如果假定這些核素來源于一個(gè)低質(zhì)量的超新星爆發(fā)，則可以得到與觀測(cè)數(shù)據(jù)一致的同位素含量。Boss 和Keiser［18］開發(fā)了一種二維模型，這些模型的演化結(jié)果顯示，太陽系原始隕石中的60Fe 可能來自超新星。此外，科學(xué)家們也在墨西哥的阿蘭德隕石中發(fā)現(xiàn)了26Mg 同位素的超豐現(xiàn)象［19］。26Mg 超豐的原因被認(rèn)為是太陽系形成時(shí)被注入大量的26Al 核素。這些26Al 核素的衰變導(dǎo)致了26Mg 的超豐現(xiàn)象，并可以解釋隕石中大量的微小顆粒。研究這些放射性核素的產(chǎn)生機(jī)制［20-21］，并分析太陽系原初隕石中的放射性核素，可以推理太陽系形成的歷史進(jìn)程，幫助我們解開太陽系的形成之謎。

圖3 太陽系形成初期放射性核素10Be、41Ca、107Pd的演化曲線[17]Fig.3 Evolution Curves for 10Be, 41Ca, 107Pd in the early stages of the formation of the solar system[17]

與生命相關(guān)的物質(zhì)，包括碳、氮、氧等元素，都是在恒星中合成，并通過超新星爆發(fā)被拋射出來，最終出現(xiàn)在地球上，成為構(gòu)成我們身體的重要材料?？梢哉f，沒有超新星就不會(huì)有生命出現(xiàn)。最近的研究發(fā)現(xiàn)，人類的生存和繁衍需要20 種氨基酸，身體內(nèi)部只能合成其中的一半，其余的需要從食物中獲得。在這些對(duì)生命至關(guān)重要的20種氨基酸中，除了甘氨酸不具有手性外，其他19 種氨基酸都呈現(xiàn)出左手性［22］。而Miller和Urey［23］在電火花實(shí)驗(yàn)中制造的22種氨基酸，左手性和右手性都有，且具有大致相同的比例。既然如此，生命為什么只選擇了左手性的氨基酸呢？Boyd 等［24］提出的超新星中微子氨基酸處理模型認(rèn)為：超新星爆發(fā)后，新產(chǎn)生的中子星或黑洞因坍縮而形成極其強(qiáng)大的磁場(chǎng)，當(dāng)中微子流和塵埃顆粒在磁場(chǎng)中穿行時(shí)，與中微子反向的有機(jī)分子會(huì)被破壞，而同向的有機(jī)分子因動(dòng)量守恒約束被保留下來，從而導(dǎo)致氨基酸的左手性選擇。生命很有可能就是這樣產(chǎn)生，并傳播到銀河系和整個(gè)地球的。

超新星不僅與氨基酸的手性形成有關(guān)系，對(duì)生命的演化也有重要影響。比如，近地超新星的爆發(fā)，將會(huì)消滅地球上的一些物種，同時(shí)也會(huì)為新物種的產(chǎn)生提供助力。美國(guó)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)［25］，4.4億年前的奧陶紀(jì)生物大滅絕與超新星爆炸有關(guān)，并且也找到了爆炸的遺跡。人們也可以通過超新星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的放射性核素（比如60Fe［26］）來研究近地超新星爆炸的歷史。

4 結(jié)語

綜上所述，超新星的研究對(duì)人們認(rèn)識(shí)宇宙、太陽系乃至生命的誕生都具有重要的意義。作為測(cè)量宇宙距離的標(biāo)準(zhǔn)燭光，超新星可以幫助人們丈量宇宙中星系之間的距離，從而研究宇宙的組成以及宇宙的膨脹和演化規(guī)律。超新星不僅是星系化學(xué)演化的主要驅(qū)動(dòng)力，還觸發(fā)了太陽系的形成，孕育了宇宙中的生命?？傊?，超新星中包含了大量的科學(xué)秘密。對(duì)超新星的研究必定能豐富我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，破解大量的自然界未知之謎。

根據(jù)預(yù)測(cè)，銀河系中每一百年會(huì)出現(xiàn)兩次左右的超新星爆發(fā)事件。上一次近地超新星事件發(fā)生在1987 年，已經(jīng)過去了35 年。因此，下一個(gè)能用肉眼看到的超新星的出現(xiàn)已為時(shí)不遠(yuǎn)了。目前，世界各國(guó)的科學(xué)家們正在為更好地研究下一個(gè)近地超新星做充分準(zhǔn)備［27］：2021 年韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，并于2022年7月正式開工拍攝到了宇宙中已知最早的星系。超級(jí)神岡的中微子探測(cè)器也準(zhǔn)備就緒，同時(shí)還研制了一種超新星預(yù)警裝置。意大利的Virgo引力波探測(cè)裝置也正在設(shè)法提高干涉儀的靈敏度，以更好地測(cè)量遙遠(yuǎn)的超新星。500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST）也在搜索超新星留下來的遺跡［28］，觀測(cè)結(jié)果也能為未來超新星的研究作出貢獻(xiàn)。一些業(yè)余的天文學(xué)愛好者也想利用手中不太靈敏的望遠(yuǎn)鏡，通過拍攝傍晚時(shí)天空的照片，來搜尋超新星出現(xiàn)的痕跡。

作者貢獻(xiàn)聲明李志宏承擔(dān)了調(diào)研、計(jì)算、報(bào)告和寫作等工作；其他作者參與了閱讀和修改工作。