早在北宋至和元年時期,在一望無邊的夜空中出現一顆“天關客星”,這顆星星所發出光的亮度,除了“日與月”之外“天關客星”的光度比肉眼所見的一切天體都要耀眼,這是人類歷史上有記載的唯一一次肉眼可見的超新星爆炸,恒星質量超過8倍太陽質量的大質量恒星衰亡時的最后光輝時刻,同時也是宇宙景色中最絢爛的景觀之一,一顆大質量恒星,往往擁有數千萬年乃至數億年的壽命,但它在死亡時僅僅會短暫地閃爍數天或數百天,人類的生命最長也不過短短百年,若能親眼觀賞到超新星爆炸所帶來的眼球感觀,或許將來有機會給子孫后代親口講述,那真的是人生一大美事。
圖解:超新星遺跡——天關客星
為什么天上的星星會爆炸呀?
宇宙中的每一顆星辰,都誕生于浩瀚的氣體云團之中,這些星際氣體的主要成分是最簡單的元素——“氫”。氫分子云在引力的作用下向內收縮、靠攏,形成一個質量越來越大的“氫球”,越來越大的質量意味著越來越大的引力,在外層越來越厚重的氣體的擠壓下,“氫球”的內核變得越來越熱,當內核的溫度超過了氫原子之間的“庫倫斥力”時,氫核將被擠在一起,一部分氫核將釋放出一個正電子與一個中微子,變成中子。之后,氫核與中子結合形成——“氘”,氘與氫結合形成——“氦-3”,兩個氦-3結合形成一個氦,并釋放出兩個質子,這一系列反應被稱為“質子-質子鏈反應”。
宇宙所有正值“青年”與“壯年”的恒星都依靠此反應產生輝煌的光與熱,恒星內核中產生的能量向外輻射的同時,也抵抗著迫使恒星向內坍塌的重力,這段描述大家可以大致參考“熱脹冷縮”的原理,恒星內核產生的能量越高,恒星就越熱,從而越容易膨脹,而恒星的質量越大,其產生的重力就越大,從而越容易迫使恒星收縮,這兩種力量相互對抗,相互制衡,于是是恒星有了比較穩定的體積。
“質子-質子鏈反應”生成的氦元素便堆積在恒星的內核中,當核心中的氫元素漸漸耗盡之時,氫聚變反應放出有能量越來越低,重力便步步緊逼,向內核壓來,更大的重力擠壓產生了更高的核心溫度,使內核中的元素開啟氦聚變,氦聚變放出的熱量比氫聚變更高,突如其來的高溫又引燃了核心外層的氫元素,劇烈的熱量釋放將整顆恒星攪得像一鍋翻滾的開水,重力在巨大的熱能面前節節敗退,恒星像一個氣球一樣被吹脹,此時,這顆恒星就變成了一顆衰老的紅巨星。
所有質量高于0.8倍太陽質量的恒星都將經歷這一階段,此時,不同的恒星將面對不同的情況,對于那些質量小于8倍太陽質量的恒星,萬有引力無法抵擋核心氦聚變噴吐出的能量,恒星外層物質將被劇烈的“氦閃”吹散,在宇宙中留下一個光滑的肥皂般的“行星狀星云”,而它的內核將孤獨地懸浮在中央,化為一顆熾熱的“白矮星”。
質量高于倍太陽質量的恒星,足夠大的質量帶來足夠大的萬有引力會繼續維持著恒星的完整,且更大的重力擠壓能夠賦予恒星核心更高的溫度,這種恒星的內核將繼續著元素聚變,氦元素耗盡后便開始碳聚變,碳耗盡之后開始氖聚變,之后還會繼續氧聚變,鎂聚變,硅聚變,恒星的內核將變成一個巨大的“元素工廠”,這樣的“元素工廠”現象會一直持續到硅聚變發生。
硅聚變的產物是鐵,鐵是元素周期表上“比結合能”最高的物質,鐵即使聚變也不再釋放能量 ,反而還會消耗能量,此時的恒星內核中,巨大的壓力將原子核與電子壓緊,原子核與電子之間寬廣的空隙蕩然無存,彼此緊密地聚成一團,依靠電子的泡利不相容產生的簡并壓力維持著體積,這種形態被稱作“電子簡并態”,但簡并壓力也有自身的極限,隨著恒星內核“元素工廠”產生的元素越來越多,越來越重,當核心質量達到1.44倍太陽質量時,簡并壓力在越來越大的重力擠壓下也達到了自身極限,這就是“錢德拉塞卡極限”。
此時,簡并壓力被重力壓垮,恒星內核轟然坍縮,核心外的物質將以23%光速的速度撞向鐵核,巨大的壓力將電子擠入原子核,促使它的質子演化變成中子,而中子將會擁有比質子更強的簡并壓力,通常足以抵制外層物質的撞擊,猛烈撞擊核心的外層物質,被同樣猛烈地反彈回去,整顆恒星在如此猛烈的沖擊中被炸出四分五裂,巨大的能量足以迫使元素們聚變成比鐵更重的元素,元素周期表第五周期以及其后的所有重元素絕大多數都是在猛烈的超新星爆發中被拋灑向宇宙各地的。
鐵,元素周期表上“比結合能”最高的物質
“比結合能”=“總結能”/(除以)原子核中的核子個數
原子核簡稱“核子”,它就是質子與中子結合在一起的產物,核子的結構是非常緊密的,想要將它們分離出來需要能量,這種剝離它們的能量就是原子的“結合能”,在物理學的認知中組成原子的核子數越多,原子核的“總結合能”就越大。
“比結合能”
又名“平均結合能” ,代表原子核中每個核子的結合能的平均值,比結合能更高的元素,由此可知原子核數量越多原子核就越穩定,鐵元素是所有目前已知元素中擁有最高的“比結合能”,也就是說鐵元素擁有宇宙中最穩定的原子核,所以,質量比低的輕元素聚變成更重的元素能夠釋放能量,質量鐵高的重元素裂變成更輕的元素能夠釋放能量,而鐵無論裂變還是聚變,迫使它進行核反應需要的能量都大于鐵裂變或聚變能夠釋放的能量。
眾所周知,宇宙誕生之初,飄蕩在太空中的只有氫元素,我們今天能觸及的一切物質都是在恒星內核中一步步聚變而來的,組成我們細胞的碳,骨骼中的鈣,每時每刻呼吸的氧,在不知多么久遠的時間之前,一顆超級星噴吐出的物質,形成了我們的太陽系,地球上每一個人曾經都是一顆星辰,我們的肉體與靈魂即是亙古的星辰在這銀河中留下的余暉,我們老去之后組成我們軀體的一個個粒子,終將回歸廣袤的宇宙,我們亦是星塵......