《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？返回目錄下一頁上一頁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)造了宇宙萬物？超新星創(chuàng)造了宇宙萬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上一頁

爆炸的巨型恒星被稱為超新星。超新星是整個宇宙史上最大的災(zāi)變，超新星大小不一，形態(tài)各異，它們亮度極高，勝過整個銀河系的亮度，即使在宇宙的另一端也能看到，它釋放的能量是太陽的數(shù)萬億倍。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上一頁

1.Ⅰa型超新星我們的太陽還不足以變成超新星，因為它太小了。像所有恒星一樣，太陽從本質(zhì)上說是一個巨大的核反應(yīng)堆，恒星內(nèi)的核聚變反應(yīng)堆以最簡單的、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，恒星就會將氦氣聚變成碳，再將碳聚變成氧，從而繼續(xù)維持燃燒，當(dāng)太陽這類恒星開始產(chǎn)生碳時，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：“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，而且不會造成麻煩，但是一旦停止產(chǎn)生能量，壓力就會返回目錄下一頁上一頁消失，引力就會大獲全勝?！碑?dāng)引力開始擠壓恒星的內(nèi)核，恒星的外層被向外推，它們就會膨脹成一個巨大的氣體球，被稱為紅巨星。太陽將在45億至50億年后消亡，屆時，日冕將延伸到火星，太陽外層膨脹的同時，其內(nèi)核的引力將產(chǎn)生相反的力，這將把太陽的內(nèi)核擠壓至原體積的百萬分之一，形成和地球等大的球體，這個由氧氣和碳組合成的致密球體，被稱為白矮星，這就是太陽系的結(jié)局。恒星毀滅時產(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)百萬年甚至數(shù)十億年才能冷卻下來。

然而，人類所處的太陽系與眾不同，它僅有一顆恒星，事實上，絕大所數(shù)恒星都是成對出現(xiàn)返回目錄下一頁上一頁的,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，這是危險的信號，白矮星中蘊藏著巨大的能量，引力能以及核能。這時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)部的碳和氧開始轉(zhuǎn)變成一種極普通卻又極危險的元素——鐵。當(dāng)白矮星開始將碳和氧聚變成鐵時，它便走上了一條返回目錄下一頁上一頁不歸路，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，事實上，Ⅰa型超新星對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《了解宇宙如何運行》中關(guān)于Ⅰa型超新星的描述。返回目錄下一頁上一頁Ia型超新星返回目錄下一頁上一頁

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

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，它們就不會塌縮成白矮星。相反，這顆巨星會繼續(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，不過它們最終都得以掙脫出來。引發(fā)返回目錄下一頁上一頁單個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，沒有了核聚變能量向外擴(kuò)張的壓力，引力便開始向內(nèi)擠壓巨星，巨星無法逃脫滅亡的命運。理論物理學(xué)家羅伯特?P?科什納博士說：“恒星毀滅前的景象非常壯觀，恒星也許經(jīng)歷了1000萬年才成為超新星，但是最后的一刻來得非常迅速，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，它以三分之一光速的速度移動?！焙阈亲兊脴O不穩(wěn)定，巨大的引力引起內(nèi)核塌縮，這一過程釋放出巨大的能量，致使內(nèi)部的原子也開始擠壓到一起。單返回目錄下一頁上一頁星超新星的爆炸穿透了恒星的外層，在此過程中創(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《了解宇宙如何運行》中關(guān)于單星超新星的描述。返回目錄下一頁上一頁二、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)，有時候會留下爆炸的遺骸，遺骸的種類取決于恒星的大小。

1.脈沖星比太陽大八倍的恒星，在超新星爆炸后會留下一顆中子星，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，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，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。返回目錄下一頁上一頁理論物理學(xué)家羅伯特?P?科什納博士說：“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。”一茶匙大小的中子星有一億噸重，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?？?，放射出巨大的脈沖能量束，從形體的南北極爆發(fā)出來，這樣的中子星被稱為脈沖星。返回目錄下一頁上一頁蟹狀星云中心的一顆脈沖星返回目錄下一頁上一頁

2.磁星但脈沖星并不是超新星遺留下來的最奇特的物質(zhì)，比太陽大30倍的恒星在爆炸時會產(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，在最極端的情況下，磁場強(qiáng)度能達(dá)到10至15億特斯拉，是地球磁場的一百萬億倍。這種磁場非常強(qiáng)大，能在數(shù)千公里遠(yuǎn)的地方，將我們血液中的鐵吸走。返回目錄下一頁上一頁

3.伽馬射線暴

但是，磁星仍然不是超新星留下的最危險的物體，當(dāng)極超巨星的內(nèi)核塌縮時，不僅會壓縮原子，同時也會壓縮其自身的空間和時間，這時超新星就會創(chuàng)造出黑洞。當(dāng)比太陽重100倍的恒星爆炸時，就會形成更為巨大的超新星，科學(xué)家們稱之為超超新星。超超新星的爆炸會釋放出高能輻射，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，它開始旋返回目錄下一頁上一頁轉(zhuǎn)，形成吸積盤，大約每秒向黑洞提供相當(dāng)于地球質(zhì)量100萬倍的食物。然而每秒100萬個地球超過了黑洞的食量，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，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，普通超新星的亮度相當(dāng)于太陽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)家加來道雄教授所說：返回目錄下一頁上一頁“伽馬射線暴能量巨大，它可以照亮整個宇宙，宇宙中的任何地方都能收到來自伽馬射線暴的輻射?！辟ゑR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，地球表面將會被一氧化氮籠罩，臭氧層將蕩然無存，炙熱的射線將摧毀植物以及藻類，整個食物鏈將會崩潰，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，這不是會不會的問題，而是何時的問題。“好在我們可能不會預(yù)先知道，我們還沒來得及反應(yīng)就已經(jīng)被擊中了，所以至少不用擔(dān)心?！崩碚撐锢韺W(xué)家勞倫斯?克勞斯教授如此說道。

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實際上，我們永遠(yuǎn)都不會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，已經(jīng)為時晚矣。事實上，我們每時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，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。返回目錄下一頁上一頁

當(dāng)恒星內(nèi)核塌縮成中子星時，超新星產(chǎn)生了大量的中微子，大約十秒鐘的時間，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)改變了人們對超新星的認(rèn)識，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。返回目錄下一頁上一頁三、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整個宇宙看到它們，天文學(xué)家由此揭開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，它由一個比原子還小的極微小能量點膨脹而來，形成了橫跨億萬光年的宇宙，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，但是他們沒有辦法證明這一點，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)到太陽的1.4倍時就會爆炸，這些爆炸通常會釋放出等量的光，它們是測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：“關(guān)于Ⅰa型超新星，返回目錄下一頁上一頁如果我們已知它們的實際亮度以及它們的觀測亮度，就能測出它們有多么遙遠(yuǎn)，因為距離越遠(yuǎn)，在望遠(yuǎn)鏡中看上去就越暗。這能幫助我們準(zhǔn)確地測量距離，不僅能測出到附近星系的距離，還可以測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)來證明宇宙的膨脹速度正在減緩，但事實卻出人意料。理論物理學(xué)家勞倫斯克?勞斯教授說：“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，而且宇宙萬物的質(zhì)量也會令其膨脹速度放緩，然而膨脹實際上在加速，它在加速膨脹?！眮碜苑祷啬夸浵乱豁撋弦豁撚冖馻型超新星的持續(xù)光線完全改變了天文學(xué)家對宇宙的看法。天文學(xué)家仍然不明白，為什么宇宙會膨脹得越來越快，他們認(rèn)為有一種未知的能量在起作用，他們將其稱為暗能量，但是很難證明這種能量的存在，因為它看不見，摸不著，也探測不到。返回目錄下一頁上一頁四、超新星創(chuàng)造了宇宙萬物

超新星堪稱宇宙殺手，但它們同時也創(chuàng)造了構(gòu)成萬物的基本元素。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)造出來的，人類也同樣源自超新星。理論物理學(xué)家勞倫斯?