《宇宙的起源》6第六講 超新星

宇宙的起源第六講超新星超新星是如何產(chǎn)生的？返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)宇宙中最亮的物體是什么？我們的宇宙正在加速膨脹？超新星創(chuàng)造了宇宙萬(wàn)物？超新星創(chuàng)造了宇宙萬(wàn)物我們的宇宙正在加速膨脹超新星爆炸的遺骸超新星Ⅰa型超新星2.單星超新星

1.脈沖星

2.磁星

3.伽馬射線暴返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

爆炸的巨型恒星被稱(chēng)為超新星。超新星是整個(gè)宇宙史上最大的災(zāi)變，超新星大小不一，形態(tài)各異，它們亮度極高，勝過(guò)整個(gè)銀河系的亮度，即使在宇宙的另一端也能看到，它釋放的能量是太陽(yáng)的數(shù)萬(wàn)億倍。爆炸如此劇烈，即便發(fā)生在距離地球幾十光年遠(yuǎn)的地方，也足以烤焦我們的星球，如果附近存在一顆超新星，那將是我們的末日。

一、超新星返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

1.Ⅰa型超新星我們的太陽(yáng)還不足以變成超新星，因?yàn)樗×?。像所有恒星一樣，太?yáng)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)巨大的核反應(yīng)堆，恒星內(nèi)的核聚變反應(yīng)堆以最簡(jiǎn)單的、最普遍的氫為原料，反應(yīng)將氫原子聚合在一起，產(chǎn)生氦氣和能量，當(dāng)氫消耗殆盡時(shí)，恒星就會(huì)將氦氣聚變成碳，再將碳聚變成氧，從而繼續(xù)維持燃燒，當(dāng)太陽(yáng)這類(lèi)恒星開(kāi)始產(chǎn)生碳時(shí)，它們就已經(jīng)踏上了緩慢的滅亡之路。

理論物理學(xué)家羅伯特?P?科什納說(shuō)：“在恒星的生命中，向內(nèi)拉的引力和向外推的壓力之間是平衡的，這能夠產(chǎn)生恒星所需要的能量，而且不會(huì)造成麻煩，但是一旦停止產(chǎn)生能量，壓力就會(huì)返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)消失，引力就會(huì)大獲全勝?！碑?dāng)引力開(kāi)始擠壓恒星的內(nèi)核，恒星的外層被向外推，它們就會(huì)膨脹成一個(gè)巨大的氣體球，被稱(chēng)為紅巨星。太陽(yáng)將在45億至50億年后消亡，屆時(shí)，日冕將延伸到火星，太陽(yáng)外層膨脹的同時(shí)，其內(nèi)核的引力將產(chǎn)生相反的力，這將把太陽(yáng)的內(nèi)核擠壓至原體積的百萬(wàn)分之一，形成和地球等大的球體，這個(gè)由氧氣和碳組合成的致密球體，被稱(chēng)為白矮星，這就是太陽(yáng)系的結(jié)局。恒星毀滅時(shí)產(chǎn)生的氣體將逐漸消散，但即使是渺小的白矮星，也要經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年才能冷卻下來(lái)。

然而，人類(lèi)所處的太陽(yáng)系與眾不同，它僅有一顆恒星，事實(shí)上，絕大所數(shù)恒星都是成對(duì)出現(xiàn)返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)的,如果兩顆恒星中的一顆變成白矮星，在距離足夠近的情況下，他會(huì)從另一顆恒星上偷去物質(zhì)。白矮星從它的伴星中吸取越來(lái)越多的燃料，它將變得更重，密度更大，更不穩(wěn)定。在白矮星內(nèi)部，碳原子和氧原子即將聚合，這是危險(xiǎn)的信號(hào)，白矮星中蘊(yùn)藏著巨大的能量，引力能以及核能。這時(shí)的白矮星正在變成一只怪物，一顆Ⅰa型超新星。Ⅰa型超新星是一枚兩百億億億億噸重的熱核炸彈。

最終，白矮星從它的伴星中吸取了足夠的燃料，進(jìn)入了核超載狀態(tài)，其內(nèi)部的碳和氧開(kāi)始轉(zhuǎn)變成一種極普通卻又極危險(xiǎn)的元素——鐵。當(dāng)白矮星開(kāi)始將碳和氧聚變成鐵時(shí)，它便走上了一條返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)不歸路，突然間，白矮星爆炸了，在白矮星的核爆炸中，產(chǎn)生了大量的鐵，事實(shí)上，Ⅰa型超新星對(duì)于宇宙的繁衍意義重大，它產(chǎn)生了至關(guān)重要的物質(zhì)。Ⅰa型超新星將鐵噴射到數(shù)萬(wàn)億公里外的太空，宇宙中的鐵大多都源于超新星。

下面，讓我們觀看《了解宇宙如何運(yùn)行》中關(guān)于Ⅰa型超新星的描述。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)Ia型超新星返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

2.單星超新星重量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的單星才可能成為超新星，這些巨星確實(shí)存在，有的比太陽(yáng)重?cái)?shù)十倍，有的重?cái)?shù)百倍。越重的恒星，燃燒得越快，一旦這些龐然大物開(kāi)始衰老、消亡，他們內(nèi)部的核反應(yīng)便會(huì)加速。

與雙子超新星不同的是，巨型單星在爆炸之前，就創(chuàng)造了大量的元素，一旦它們將氫氣轉(zhuǎn)化成氦氣，氦氣將轉(zhuǎn)化成碳，碳再轉(zhuǎn)化成氧，它們就不會(huì)塌縮成白矮星。相反，這顆巨星會(huì)繼續(xù)燃燒，在其內(nèi)核深處形成一層層的新元素。這些元素是搭建宇宙的原材料，但它們此刻仍被困在巨星內(nèi)部，不過(guò)它們最終都得以掙脫出來(lái)。引發(fā)返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)單個(gè)巨星爆炸并釋放出新元素的導(dǎo)火索正是同樣引發(fā)Ⅰa型超新星爆炸的鐵元素，鐵耗盡了恒星核聚變產(chǎn)生的所有能量，沒(méi)有了核聚變能量向外擴(kuò)張的壓力，引力便開(kāi)始向內(nèi)擠壓巨星，巨星無(wú)法逃脫滅亡的命運(yùn)。理論物理學(xué)家羅伯特?P?科什納博士說(shuō)：“恒星毀滅前的景象非常壯觀，恒星也許經(jīng)歷了1000萬(wàn)年才成為超新星，但是最后的一刻來(lái)得非常迅速，一旦具備了鐵質(zhì)內(nèi)核，失去力量的平衡，它就會(huì)在一毫秒內(nèi)塌縮，就如同從地球變成曼哈頓那么小。塌縮的同時(shí)，它以三分之一光速的速度移動(dòng)?！焙阈亲兊脴O不穩(wěn)定，巨大的引力引起內(nèi)核塌縮，這一過(guò)程釋放出巨大的能量，致使內(nèi)部的原子也開(kāi)始擠壓到一起。單返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)星超新星的爆炸穿透了恒星的外層，在此過(guò)程中創(chuàng)造出了比鐵重的新元素：鐵變成鈷，鈷變成鎳，然后繼續(xù)變成金、鉑和鈾。然而爆炸十分短暫，只制造了少量的重元素，這也是如今它們?nèi)绱讼∩俚脑?，超新星把這些新元素噴射到數(shù)十億公里外的太空中。

下面，讓我們觀看《了解宇宙如何運(yùn)行》中關(guān)于單星超新星的描述。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)二、超新星爆炸的遺骸

巨星經(jīng)歷了超新星爆炸，并不一定意味著終結(jié)，有時(shí)候會(huì)留下爆炸的遺骸，遺骸的種類(lèi)取決于恒星的大小。

1.脈沖星比太陽(yáng)大八倍的恒星，在超新星爆炸后會(huì)留下一顆中子星，這是宇宙中最奇特的物體之一。當(dāng)一顆巨星變成超新星時(shí)，其內(nèi)核從一顆行星大小被擠壓到只有城市大小，內(nèi)核承受的壓力十分強(qiáng)烈，內(nèi)部的原子也擠壓到了一起，當(dāng)原子被緊緊擠壓時(shí)，中間不留任何空隙，內(nèi)核累積的巨大能量需要得到宣泄，內(nèi)核爆炸摧毀了恒星的外層。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)理論物理學(xué)家羅伯特?P?科什納博士說(shuō)：“質(zhì)量極大的恒星被壓縮成體積極小的中子星，可想而知它的密度高得驚人?！币徊璩状笮〉闹凶有怯幸粌|噸重，很難想像，跟恒星一樣重的中子星卻只有紐約市那么大，它們還在迅速旋轉(zhuǎn)。有些中子星旋轉(zhuǎn)得非常快，放射出巨大的脈沖能量束，從形體的南北極爆發(fā)出來(lái)，這樣的中子星被稱(chēng)為脈沖星。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)蟹狀星云中心的一顆脈沖星返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

2.磁星但脈沖星并不是超新星遺留下來(lái)的最奇特的物質(zhì)，比太陽(yáng)大30倍的恒星在爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種叫做磁星的中子星，磁星比脈沖星更為神秘，它能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，在最極端的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到10至15億特斯拉，是地球磁場(chǎng)的一百萬(wàn)億倍。這種磁場(chǎng)非常強(qiáng)大，能在數(shù)千公里遠(yuǎn)的地方，將我們血液中的鐵吸走。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

3.伽馬射線暴

但是，磁星仍然不是超新星留下的最危險(xiǎn)的物體，當(dāng)極超巨星的內(nèi)核塌縮時(shí)，不僅會(huì)壓縮原子，同時(shí)也會(huì)壓縮其自身的空間和時(shí)間，這時(shí)超新星就會(huì)創(chuàng)造出黑洞。當(dāng)比太陽(yáng)重100倍的恒星爆炸時(shí)，就會(huì)形成更為巨大的超新星，科學(xué)家們稱(chēng)之為超超新星。超超新星的爆炸會(huì)釋放出高能輻射，叫做伽馬射線暴。在普通的超新星爆炸中，引力將星體的內(nèi)核壓縮成中子星，但是在超超新星的爆炸中，星體要大得多，導(dǎo)致引力將內(nèi)核壓縮成比中子星更為強(qiáng)大的物質(zhì)——黑洞。黑洞立即開(kāi)始吞噬這顆恒星的其它部分，但是恒星剩下的部分并不能被較小的黑洞全部吸收，它開(kāi)始旋返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)轉(zhuǎn)，形成吸積盤(pán)，大約每秒向黑洞提供相當(dāng)于地球質(zhì)量100萬(wàn)倍的食物。然而每秒100萬(wàn)個(gè)地球超過(guò)了黑洞的食量，使它難以立即消化，所以它又以接近光速的速度將吸進(jìn)去的大多數(shù)物質(zhì)釋放出來(lái)，由此形成了兩束穿越黑洞的純能量波。擊穿恒星需要八秒，精確瞄準(zhǔn)，從表面擊穿，如果處于能量波釋放的開(kāi)口，我們將可以看到伽馬射線暴，產(chǎn)生于黑洞的伽馬射線將沖破恒星的外層飛入太空。伽馬射線暴是我們所知的宇宙中最激烈的反應(yīng)，它們是宇宙中已知的最亮物體，直觀地說(shuō)，普通超新星的亮度相當(dāng)于太陽(yáng)100億年亮度之和，而正在噴射的伽馬射線暴比超新星還要亮一億倍，正如理論物理學(xué)家加來(lái)道雄教授所說(shuō)：返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)“伽馬射線暴能量巨大，它可以照亮整個(gè)宇宙，宇宙中的任何地方都能收到來(lái)自伽馬射線暴的輻射。”伽馬射線暴不僅亮度極高，還具有極強(qiáng)的破壞性，如果擊中地球，它將在數(shù)秒內(nèi)毀掉大部分大氣層，地球表面將會(huì)被一氧化氮籠罩，臭氧層將蕩然無(wú)存，炙熱的射線將摧毀植物以及藻類(lèi)，整個(gè)食物鏈將會(huì)崩潰，從而引起大規(guī)模的生物滅絕。

下面，讓我們觀看《了解宇宙如何運(yùn)行》中關(guān)于伽馬射線暴的描述。

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離我們最近，最有可能對(duì)我們構(gòu)成威脅的就是海山二，這是片壯麗的星云，各種物質(zhì)正在從這顆恒星中噴出，它極不穩(wěn)定，很可能已經(jīng)放出過(guò)伽馬射線暴。但是海山二可能并不是唯一的威脅，除此之外還有其它正在消亡的恒星。我們正密切關(guān)注著WR104恒星，這是一對(duì)正在滅亡的雙星，遲早有一天它們將爆發(fā)伽馬射線暴，這不是會(huì)不會(huì)的問(wèn)題，而是何時(shí)的問(wèn)題?！昂迷谖覀兛赡懿粫?huì)預(yù)先知道，我們還沒(méi)來(lái)得及反應(yīng)就已經(jīng)被擊中了，所以至少不用擔(dān)心。”理論物理學(xué)家勞倫斯?克勞斯教授如此說(shuō)道。

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實(shí)際上，我們永遠(yuǎn)都不會(huì)知道一顆恒星是否即將成為超新星，然后發(fā)生巨大的爆炸，當(dāng)我們看到它爆炸時(shí)，已經(jīng)為時(shí)晚矣。事實(shí)上，我們每時(shí)每刻都暴露在瀕死恒星放出的輻射中。巨星的爆炸是宇宙中最激烈的爆炸，是什么賦予他們?nèi)绱司薮蟮哪芰?，至今仍無(wú)人知曉。我們知道，要使一顆恒星爆炸需要巨大的能量，輻射是所有釋放能量中極其微小的部分，即使氣體膨脹產(chǎn)生的動(dòng)能也僅占總能量的1%，爆炸產(chǎn)生的其它99%的能量去了哪里？當(dāng)超新星的內(nèi)核在爆炸之前壓縮時(shí)，里面的原子發(fā)生了分裂，內(nèi)核溫度升高，將原子碎片聚變成燃燒的中微子，而那99%的爆炸能量就存在于中微子中。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)

當(dāng)恒星內(nèi)核塌縮成中子星時(shí)，超新星產(chǎn)生了大量的中微子，大約十秒鐘的時(shí)間，內(nèi)核以中微子發(fā)光度閃耀，這比那一刻宇宙其它地方產(chǎn)生出的所有能量都要大得多。那一刻的內(nèi)核極其耀眼，但是引力無(wú)法將這些中微子控制在內(nèi)核中，他們噴薄而出，迸發(fā)出耀眼的光芒，將瀕死的恒星撕得粉碎。中微子的發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)超新星的認(rèn)識(shí)，然而超新星即將揭示出宇宙中最神秘的力量，這種力量將改變宇宙的命運(yùn)。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)三、我們的宇宙正在加速膨脹

超新星爆炸是如此耀眼，以至于我們能夠透過(guò)整個(gè)宇宙看到它們，天文學(xué)家由此揭開(kāi)了宇宙中最神秘的謎團(tuán)，宇宙在140億年前的一次大爆炸中誕生，它由一個(gè)比原子還小的極微小能量點(diǎn)膨脹而來(lái)，形成了橫跨億萬(wàn)光年的宇宙，而且它仍在不斷膨脹。科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，宇宙的膨脹速度正在減慢，但是他們沒(méi)有辦法證明這一點(diǎn)，直到他們發(fā)現(xiàn)了Ⅰa型雙子超新星。當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的1.4倍時(shí)就會(huì)爆炸，這些爆炸通常會(huì)釋放出等量的光，它們是測(cè)量太空距離的完美標(biāo)尺。理論物理學(xué)家勞倫斯克?勞斯教授說(shuō)：“關(guān)于Ⅰa型超新星，返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)如果我們已知它們的實(shí)際亮度以及它們的觀測(cè)亮度，就能測(cè)出它們有多么遙遠(yuǎn)，因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，在望遠(yuǎn)鏡中看上去就越暗。這能幫助我們準(zhǔn)確地測(cè)量距離，不僅能測(cè)出到附近星系的距離，還可以測(cè)量到宇宙另一端的距離，以及數(shù)十億光年之外星系的距離，這給我們帶來(lái)了許多驚人的發(fā)現(xiàn)?！碧煳膶W(xué)家原本以為他們找到了證據(jù)來(lái)證明宇宙的膨脹速度正在減緩，但事實(shí)卻出人意料。理論物理學(xué)家勞倫斯克?勞斯教授說(shuō)：“1998年，天文學(xué)家做出了一件出人意料的事情，原本大家一致認(rèn)為在引力的作用下宇宙的膨脹速度正在減緩，而且宇宙萬(wàn)物的質(zhì)量也會(huì)令其膨脹速度放緩，然而膨脹實(shí)際上在加速，它在加速膨脹?！眮?lái)自返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)于Ⅰa型超新星的持續(xù)光線完全改變了天文學(xué)家對(duì)宇宙的看法。天文學(xué)家仍然不明白，為什么宇宙會(huì)膨脹得越來(lái)越快，他們認(rèn)為有一種未知的能量在起作用，他們將其稱(chēng)為暗能量，但是很難證明這種能量的存在，因?yàn)樗床灰?jiàn)，摸不著，也探測(cè)不到。返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)四、超新星創(chuàng)造了宇宙萬(wàn)物

超新星堪稱(chēng)宇宙殺手，但它們同時(shí)也創(chuàng)造了構(gòu)成萬(wàn)物的基本元素。我們所看到的一切，地球上的所有物質(zhì)都是在超新星內(nèi)部創(chuàng)造出來(lái)的，人類(lèi)也同樣源自超新星。理論物理學(xué)家勞倫斯?