想象一下：
在宇宙深處的漫天群星中，有一顆不起眼的星星突然變得明亮無(wú)比，放出的光芒在剎那間變強(qiáng)了千萬(wàn)倍，甚至可以照亮它所在的整個(gè)星系。它生命最后時(shí)刻的爆發(fā)，產(chǎn)生出能夠毀滅一切生命的強(qiáng)輻射，瘋狂地掃過(guò)宇宙一角……
圖 超新星爆發(fā)想象圖 圖源| Science News
這就是超新星爆發(fā)，宇宙中最壯麗的奇景之一。
然而，這場(chǎng)生命盡頭的爆發(fā)并非終結(jié)，一場(chǎng)孕育新生的旅程即將開(kāi)始，而具體的過(guò)程，就讓我們慢慢走進(jìn)超新星，從了解與它相關(guān)的物理過(guò)程開(kāi)始吧。
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夜空中最亮的星
早在公元185年，就有一顆超新星照亮了地球的夜空，引起了人們的注意并被記錄了下來(lái)——這就是SN 185。它記載于《后漢書(shū)》，但是由于年代太過(guò)久遠(yuǎn)，關(guān)于它的描述并不多。
另一個(gè)超新星SN 1006則更有知名度——它在宋朝和中世紀(jì)歐洲的天空中閃耀了24個(gè)月，最亮的時(shí)候甚至比月亮還亮，給世界各地?zé)o數(shù)的觀星者們提供了眾多或大兇或大吉的猜想。
圖 SN 1006爆發(fā)時(shí)的模擬圖 圖源|Tunc Tezel
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當(dāng)人類進(jìn)入天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)代，觀測(cè)超新星就變得簡(jiǎn)單起來(lái)，人們不再需要用肉眼來(lái)觀察這種在整個(gè)銀河系都是五十年一遇的奇觀。而人們對(duì)超新星的認(rèn)識(shí)也隨著科技的發(fā)展逐漸深入，也理解了超新星的成因：原來(lái)，這種亮度非凡但無(wú)法長(zhǎng)久的星星，大多是生命即將結(jié)束的大質(zhì)量恒星1。
我們知道，恒星這么巨大的天體，內(nèi)部因?yàn)橐π纬傻膲毫κ欠浅４蟮摹８鶕?jù)熱力學(xué)原理，壓強(qiáng)增加會(huì)導(dǎo)致溫度也增加。因此，恒星最熱的核心就點(diǎn)燃了核反應(yīng)，釋放能量對(duì)抗自身的引力塌縮。
然而，經(jīng)年累月的燃燒產(chǎn)生了很多暫時(shí)不能燃燒的核，這些核因?yàn)楸容^重，都堆積在恒星的核心，影響了燃燒的速率。燃燒減緩就會(huì)導(dǎo)致恒星進(jìn)一步被壓縮，核心溫度持續(xù)上升，最終就會(huì)將核心中更重的核的聚變反應(yīng)點(diǎn)燃。
當(dāng)質(zhì)量非常大的恒星（一般大于8倍的太陽(yáng)質(zhì)量）的核心被點(diǎn)燃時(shí)，生成的產(chǎn)物又會(huì)堆積形成新的核心，然后核心又被點(diǎn)燃，如此重復(fù)數(shù)次，直到再也沒(méi)有可用的核反應(yīng)來(lái)提供能量，一場(chǎng)大崩潰就開(kāi)始了：恒星核心在自身巨大的重力下壓縮，卻沒(méi)有能與之對(duì)抗的能量，很快物質(zhì)就被壓實(shí)，原子的電子之間開(kāi)始依靠電磁斥力來(lái)對(duì)抗引力。但是，這種對(duì)抗在大質(zhì)量恒星中是徒勞的，在巨大的壓力下，電子也被壓進(jìn)了原子核，整個(gè)核心變成了完全由中子組成的球。
一般來(lái)說(shuō)，這場(chǎng)坍縮就到此結(jié)束了。但是如果這顆恒星質(zhì)量實(shí)在太大（一般大于14倍的太陽(yáng)質(zhì)量），那么就連中子之間的排斥力都無(wú)法對(duì)抗引力的壓縮。隨著最后一道防線的失守，整個(gè)核心全都?jí)嬋胫行狞c(diǎn)，形成了一個(gè)光都無(wú)法逃逸的黑洞。在這個(gè)核心坍縮的過(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放巨大的能量，以至于可以形成一場(chǎng)劇烈的爆炸，將恒星外殼的物質(zhì)直接完全炸飛，發(fā)出的光芒甚至和它一生發(fā)的光的總量相當(dāng)。
圖 SN 1987A爆發(fā)前（右）與爆發(fā)后（左）的對(duì)比圖。圖源| NASA
至此，一場(chǎng)華麗的超新星爆發(fā)就落下了帷幕，內(nèi)核形成的中子星或黑洞在余燼中慢慢地冷卻，而被炸飛的外殼則會(huì)形成蓬松的星云，等待下一次匯聚。
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死亡，還是新生？
超新星爆發(fā)，并不僅是生命的結(jié)束，也是生命的開(kāi)啟。這場(chǎng)壯麗絢爛的爆發(fā)，堪稱是一部創(chuàng)造世界的宇宙史詩(shī)。
需要解釋一下，這里的世界指的是宇宙中豐富多彩的恒星—行星系，包括可能存在于行星上的各種各樣的生命文明。
我們先從核合成這個(gè)概念說(shuō)起。我們這個(gè)多彩的世界是由元素組成的，而元素之間最根本的差別就在于原子核不同。根據(jù)目前廣為接受的大爆炸理論，宇宙起源于一場(chǎng)大爆炸，而大爆炸的產(chǎn)物只有寥寥幾種輕原子核，比如氫、氦以及少量的鋰等。然而，目前地球上天然存在著從氫到鈾的眾多種類的元素，這些元素又是怎么來(lái)的呢？
超新星，就是大多數(shù)較重的元素的來(lái)源。
之前提到的超新星在爆發(fā)之前會(huì)不斷形成核心又不斷被點(diǎn)燃，這其實(shí)就是一個(gè)核合成的過(guò)程。輕核素燃燒合成比較重的元素，持續(xù)進(jìn)行直到鐵為止——因?yàn)殍F原子核的聚變反應(yīng)不再釋放能量而要吸收能量了，所以常規(guī)的核合成就結(jié)束了。
但是，超新星的表演才剛剛開(kāi)始。在大坍縮的過(guò)程中，充足的能量和豐富的中子會(huì)引發(fā)r過(guò)程（快速中子俘獲過(guò)程）。原子核不斷俘獲中子增加質(zhì)量，使鐵以上的元素的合成成為可能。在這場(chǎng)快速核合成的風(fēng)暴中，一般情況下因?yàn)楹铣伤俾实陀谒プ兯俾识y以突破的地方會(huì)被突破，隨后大量重元素（包括我們熟知的銀、金等重金屬）就被合成了。這些重元素隨著超新星爆發(fā)被噴射出去，飄散在星云里，提供了形成我們多彩世界的物質(zhì)基礎(chǔ)。
圖 超新星爆發(fā)前恒星內(nèi)部多個(gè)核心的示意圖 圖源| University of Oregon
核合成提供了基礎(chǔ)，可是超新星的影響還遠(yuǎn)未結(jié)束。爆發(fā)產(chǎn)生的星云會(huì)孕育下一顆恒星，就像盤(pán)古開(kāi)天地的傳說(shuō)一樣。星云中重的元素匯聚在一起形成一個(gè)個(gè)核心，有的核心越聚越大，最終重新點(diǎn)燃了核反應(yīng)形成新的恒星；小的核心圍著恒星旋轉(zhuǎn)就形成了行星，星星們就這樣組合在一起形成了星系，就像我們熟知的太陽(yáng)系一樣。同時(shí)，超新星爆發(fā)噴射出的高能粒子，還會(huì)為它所到達(dá)的平靜的星云帶來(lái)波瀾和擾動(dòng)，加速星云匯聚的速度。有研究認(rèn)為，我們的太陽(yáng)系就是以超新星爆發(fā)的波及為契機(jī)而形成的。
由此看來(lái)，超新星不僅提供了世界形成的物質(zhì)基礎(chǔ)（元素），還提供了溫床（星云），甚至連起床服務(wù)（擾動(dòng)）都提供了，這簡(jiǎn)直就是完美的一條龍服務(wù)啊！
圖 超新星爆發(fā)形成的蟹狀星云——這是星系的新生 圖源|NASA
正如物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯所言：
“
你身體里的每一個(gè)原子都來(lái)自一顆超新星，你左手的原子與右手的原子也許來(lái)自不同的恒星。這實(shí)在是我所知道的物理學(xué)中最富詩(shī)意的東西：你的一切都是星塵......
”
我們身體中的大部分元素都來(lái)自超新星爆發(fā)的星云，除了氫以外的碳氧元素和微量元素，絕大多數(shù)都是由超新星合成并釋放的。其實(shí)，不光是我們，我們身邊的萬(wàn)物幾乎都來(lái)自星辰，都來(lái)自億萬(wàn)年前的一次次壯麗的超新星爆發(fā)。
超新星，這種短暫而閃耀的宇宙奇觀，可以說(shuō)是一部當(dāng)之無(wú)愧的創(chuàng)造了這豐富多彩世界的宇宙史詩(shī)！
致謝：感謝中科院近代物理所胡鈞老師審閱全稿，并提出寶貴意見(jiàn)。
本文為近代物理所首屆“科學(xué)與藝術(shù)”科普作品創(chuàng)作大賽獲獎(jiǎng)作品，得到了“全國(guó)中小學(xué)生研學(xué)實(shí)踐教育基地”項(xiàng)目的支持（近代物理所于2018年入選全國(guó)中小學(xué)生研學(xué)實(shí)踐教育基地）。
作者 | 田寧
編輯 | 劉芳
注釋：
1. 本文介紹的主要是核心坍縮型超新星，它是由一顆大質(zhì)量單星由于核心坍縮形成的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。也有一種超新星是由密近雙星吸積系統(tǒng)形成的（Ia型超新星），即白矮星從伴星吸積足夠的物質(zhì)，使其星核溫度上升至碳燃燒的條件，最終發(fā)生迅猛核聚變從而完全爆發(fā)瓦解。
參考文獻(xiàn)：
[1] C. E.Rolfs, W. S. Rodney. Cauldrons in the Cosmos ( Univ of Chicago Pr, 1988).
[2] C. Iliadis, Nuclear Physics of Stars ( Wiley, Weinheim, 2007)
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