没有天上的它们，他们就拿不了今年的诺贝尔化学奖，你们也可能玩不了手机

更多精彩视频登陆网站www.koushare.com今年10月9日，美国德州大学奥斯汀分校约翰·班宁斯特·古迪纳夫（John. B. Goodenough）教授、纽约州立大学Binghamton分校斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham）教授与日本名古屋名城大学吉野彰（Akira Yoshino）教授由于“为锂电池的发展所作的贡献”而获得今年的诺贝尔化学奖。
研究表明，地球上的锂大都来自几十亿年前宇宙中爆发的“新星”。“新星”没有它们的大表哥“超新星”那么耀眼，但没有它们，这三位大佬拿不到今年的诺贝尔化学奖，我们可能也没法玩手机。

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天外来客：客星与新星 谁也无法确认人类是从何时开始关注星空的。最迟在几亿年前，在人类的远祖还是鱼类时，他们就已经在水中沐浴透射进浅水的星光，或者在夜晚跳出水面的瞬间短暂凝视夜空中的万千繁星。 但这些都不算真正的天文观测。只有古代人类留下的与星空有关的文字与图画才能代表天文观测，后人通过这些图文记录来了解古人对星空的好奇与敬畏。古人留下的文字与图，记载了人眼可见的太阳、月亮的运行规律，记载了春夏秋冬甚至春分点与秋分点的变动，记载了大小不与明暗不一的几千颗星星在不同季节的分布。 不仅如此，古人还记载了那些突然出现又很快消失的星星，中国古代天文学家称呼这些星星为“新星”或“客星”，以“客星”居多；西方古代天文学家称呼它们为“nova”，译文也是“新星”。[1] 人类记载的第一颗新星是在何时被记载的？很多人认为公元前134年被古希腊著名的天文学家、有“天文学之父”美称的喜帕恰斯（ίππαρχος, Hipparchus，约前190–前125）观测到的那颗新星是世界上最早的新星记录，并使他决定绘制一张星表。这颗新星在我国《汉书》也有记载。[2] 此外，中国古书中还记载了比公元前134年更早的疑似新星。如公元前14世纪的甲骨文记载：“辛未有妖新星。”记载这次新星爆发的人将这次新星爆发视为不祥之兆，因此称只为“妖”。这也是中国古代典籍中少有的直接称呼新出现星体为“新星”的记载。 《竹书纪事》则记载了4次更早的新星爆发记录，其中有3次记载涉及4000多年前帝尧时代的3次“景星”。观测与记载的人认为这些新星是“景瑞”、是吉兆，因此称之为“景星”。这是至今为止最早的几次新星记载。但《竹书纪年》可能是后人伪托之作，其记载的可靠性要打折扣；不过，即使舍弃《竹书纪年》的4次记载，也还有6次比公元前134年更早的可能的新星记载。   
白矮星：新星爆发事件的肇事者 过去一百多年的观测与理论研究，已经揭开了这些“客星/新星”的谜团。除了那些常常拖着尾巴的彗星之外，古人看到的大部分“客星/新星”是太阳系之外、银河系之内的天体爆发现象。这类爆发现象中，除了少数亮度可以达到太阳亮度几亿倍以上的事件之外，大多数亮度为太阳的几万倍，后者被称为“经典新星”，简称为“新星”。这类新星在天文望远镜被发明之后，还不断出现在星空，并被更可靠地观测并记载下来。 这些新星爆发事件的“肇事者”是一种称为“白矮星”的恒星残骸。什么是白矮星？虽然早在1783年，赫歇尔就首次观测到了一颗暗淡的白矮星，但还是让我们从冬季大三角开始说白矮星的故事，因为这个故事更能体现出白矮星的物理特性。 在冬季星空中，有三颗亮星构成一个很大的三角形，这就是著名的“冬季大三角”。冬季大三角由天狼星、南河三与参宿四。1844年之前，天才的天文学家贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel，1784～1846）经过长期观测，发现天狼星与南河三在天空中的运动轨迹是曲线。他大胆推断：这是因为这两颗恒星都有一个很暗的、质量相当大的“伴星”，伴星的强大引力使这两颗星的运动轨迹偏离了直线。贝塞尔的这个重要观测结果与理论解释发表于1844年的一期《皇家天文学会月刊》。

图：哈勃太空望远镜拍摄的“冬季大三角”，

左上为南河三，右上为参宿四，下为天狼星。

(来源：美国国家航天局 (NASA) /欧洲航天局 (ESA)，空间望远镜 (HST)) 1862年，伴随天狼星的暗淡星体终于被当时刚制造出来的最大的光学望远镜观测到。1892年，伴随南河三的暗淡天体也被发现。这两个恒星偏白色，温度可能很高；后来的光谱研究表明，这两个恒星温度确实很高。因为颜色白而亮度低，它们被称为“白矮星”。天文学中，矮、巨、超巨、超超巨，都是用来形容亮度大小的词。
图：哈勃太空望远镜拍摄的天狼星与天狼星的伴星（天狼星B），图中心左下小亮点为天狼星B，这正是贝塞尔当年预测的伴随天狼星的暗星。(来源：NASA/ESA, HST) 白矮星的质量大到足以让伴随它们的恒星的运动轨迹为曲线，这意味着它们的质量和一般的恒星差不多。后续的研究表明，它们的质量可以达到1个太阳质量左右。另一方面，白矮星的温度高，亮度却低，这意味着这两颗星的体积很小。质量大而体积小，所以它们的密度就大。事实上，白矮星的密度是太阳平均密度的几百万倍，也是水的密度的几百万倍。 理论研究表明，如果一颗恒星刚诞生时的质量不超过8个太阳质量，演化为生命末期，中心形成氦或者碳氧核心，然后喷发出外部的一部分物质，中心的高温核心暴露出来，形成观测上的白矮星。
新星的形成原理 假如白矮星周围没有什么东西可以让它们“吃”，它们就会在此后漫长的岁月里逐渐变暗变冷。但如果它们处于所谓的“双星”系统里，且它们的“伴星”是离它们足够近的气态红巨星、亚巨星或者类似太阳这样处于氢燃烧阶段的“主序星”，它们就可以从伴星那里“窃取”一些气体。这些气体以氢为主。 从伴星那里窃取的氢气先在白矮星附近堆积成一个盘状结构，盘内靠近白矮星的那部分气体先落到白矮星上面，被白矮星的表面所加热。这些氢气堆积到大约1万分之1个太阳质量时，距离白矮星的表面最近的那部分氢气的温度与压强升高到氢聚变的温度与压强，引起氢气层底部的核聚变。强烈的核聚变释放出巨大能量，将上面覆盖的整个氢气层掀开，被抛出的氢气层发出强烈光芒，亮度达到太阳的5万到10万倍。这个过程就像在还在冒火星的灰烬上倒汽油，突然死灰复燃。
 图：白矮星吸积伴星物质的艺术想象图。（来源：NASA/CXC/M.Weiss） 而在此之前，白矮星的亮度仅仅是太阳的几十万分之一。于是，一颗此前根本无法用肉眼看到的白矮星变亮几百亿倍，在距离地球足够近时可以达到天鹅座主星、全天第19亮星“天津四”这样的亮星那么亮，仿佛一颗新的星星出现在天空。古人记载的“客星/新星”大部分是这类爆发现象导致的。 新星不仅会发出强烈可见光，还会发出其他波段的电磁波，比如伽玛射线与X射线。2010年，美国航天局（NASA）的Fermi伽玛射线卫星探测到一颗新星发出的高能伽玛射线。2013年12月7日到10日，Fermi伽玛射线卫星观测到“半人马2013新星”（Nova Cen 2013）发出的伽玛射线；NASA的伽玛射线与X射线卫星雨燕（Swift）于2014年2月18日到25日与2014年3月8日探测到这颗新星发出的X射线。
新星知多少 据估计，银河系内每年有几十颗白矮星产生上述的喷发过程，从而形成了新星。但因为有的新星和地球之间隔着大量尘埃，因此发出的光无法被地球上的仪器与人看到，地球上每年可以探测到大约10个新星，其中可以用肉眼直接看到的每年只有大约1个。而能够亮到1等星或者2等星那么亮的新星，每几十年才有一个。 此外，银河系外也有大量新星爆发。但只有银河系内距离地球足够近的白矮星所驱动的新星，才可能用肉眼看到；银河系外的新星都需要用望远镜才可以看到。从仙女星系中，天文学家每年会发现几十个新星。此外，M33与M81也被发现过新星。更远的一些星系中，就很难发现新星了。 如此算来，从有文字到现在，应该有几千个可用肉眼看到的新星和几千个可用望远镜看到的新星被观测并记载。但实际上并没有这么多颗新星被观测并记载下来，大多数新星被人类错过了。到2019年为止，被记载的银河系内发现的新星只有407颗。这些都是有强证据支持的新星记载。 除了这些被明确证认的新星之外，还有一些比较远古的记载也记载了许多疑似的新星爆发事件。 如，1921年，瑞典天文学家伦德玛克（Knut Emil Lundmark，1889～1958）发表了一篇论文，他主要根据此前欧洲汉学家翻译的中国宋末元初历史学家马端临（1254～1323）的《文献通考》中的“客星”记载以及此后的一些文献，编制成一个包含60颗新星的表格。同年，日本天文学家山本一清（1889～1959）也根据他自己收集到的中国史料，编制了一个包含60个新星的表格。二人的表格虽然收集了较多事例，但并不够完备，里面的有些考证也不够可靠。 1955年，我国著名天文学家与天文学史专家席泽宗先生（1927～2008）发表了一篇论文《古新星新表》，他根据我国古代各类史料和日本的天文史料，剔除了伦德马克新星表中实际上是彗星的7个事件，增补了其他事件，共收集到直到1690年的90颗可能的新星的记载，其中11颗是超新星。1965年，席泽宗先生与著名天文学史专家薄树人先生（1934～1997）发表一篇论文《中、朝、日三国古代的新星记录及其在射电天文学中的意义》，他们根据中国、朝鲜、日本与越南古籍中对新星的记载，删除了1955年列出的37个错误或可能错误的事件，补进37个新发现的可靠记载，其中朝鲜记载的新星占了这37个增补事件的大约一半，越南的1个。 在席泽宗先生与薄树人先生工作的基础上，我国著名天文学家与天文学史专家陈遵妫先生（1901～1991）在巨著《中国天文学史》第三册中列出了我国古代103次可能的新星。^[3] 这些新星的记载中，有大约10个是超新星，除去这些超新星之外，中国古籍中记载的新星爆发现象可能有90个左右。 以上学者在统计古籍中记载的新星时，已努力排除那些有明显移动现象的源与有彗尾的源——它们都是彗星。但即使排除这两大类，也无法认为剩下的都是新星，因为有些时候，古代的天文观测者即使看到“客星”在移动，也只是简单说某个方位出现了客星，而未提及它们是否移动；即使看到了彗尾，也有可能没有提到其有彗尾。 不过，伦德马克研究了古籍中的新星的位置分布，发现它们的分布与后来被天文望远镜证实的那些新星的位置大致重合，因此这些古代记载的新星有较大概率是真的新星。
一些著名的新星 下面简单介绍几个比较著名的新星。它们都是被明确证认的新星。 1901年2月21日，苏格拉神职人员Thomas David Anderson发现在英仙座方向发现一颗新星，它被命名为“英仙座1901新星”（Nova Persei 1901），这颗新星最亮时达到0.2等，在它暗下去之后，依然每隔一段时间变亮10倍左右再暗下去，到1980年之后，这种频繁变亮变暗的过程变得很有规律：每3年变亮一次，每次持续两个月左右。[4] 英仙座1901新星爆发后喷发出的气体与尘埃构成的物质壳的速度达到每秒1200千米，然后形成美丽的新星遗迹，这个遗迹在1902年被探测到。下图为这个新星遗迹的多波段成像的合成图，其中黄色区域为可见光，由哈勃太空望远镜拍摄；中心白色区域与四周的蓝色区域表示X射线辐射，由钱德拉X射线天文台拍摄；右下部分粉红色边缘与左边粉红色斑点表示射电辐射，由甚大射电望远镜阵（VLA）成像。注意，X射线与射电没有肉眼可见的对应颜色，图中用伪色成像方法表示。进入这个地址（https:// chandra. harvard. edu/ photo/ 2015/ gkper/）后，可以分别点击选择每个波段独自成的像。 

图：1901年出现的新星“英仙座1901新星”（Nova Persei 1901）的爆发遗迹的多波段合成图（Credit: X-ray: NASA/CXC/RIKEN/D.Takei et al; Optical: NASA/STScI; Radio: NRAO/VLA）

1918年6月8日，医学教授、业余天文学家Zygmunt Laskowski 在天鹰座方向发现一颗新星——天鹰座1918新星（Nova Aquilae 1918），它最亮时达到了-0.5等，亮度超过了1901年出现的“英仙座1901新星”，与天空中除了太阳之外的所有恒星相比，它的亮度仅比天狼星与老人星暗，是有史以来被记载下来的最亮的新星——这里把那些比它更亮的“超新星”排除在外。 1975年8月29日，天文学家在天鹅座方向被观测到的一个新星“天鹅座1975新星”（Nova Cygni 1975），次日，这颗新星就达到最亮，星等为2等，与天鹅座方向离这颗新星仅5度的天津四差不多亮。如上面所说，这么亮的新星每几十年才可以看到一次。它距离地球约6千光年。 2007年2月4日，日本天文学家Yuji Nakamura 与 Yukio Sakurai分别独立地发现新星“天蝎座V1280”（ V1280 Scorpii），这颗新星在2月17日达到3.9等。后续研究表明，这颗新星距离地球约5千光年，抛出物的速度大约是340千米每秒。 2013年8月14日，日本业余天文学家Koichi Itagaki发现位于海豚座的新星，它被命名为“海豚座2013新星”（Nova Delphini 2013），它被发现时的星等是 6.8等，然后在2天后达到了4.3等。 2013年12月2日，澳大利亚的业余天文学家John Seach发现位于半人马座的新星“半人马2013新星”（Nova Cen 2013），它被发现时的星等是5.5，于12月14日达到了3.3等，是新千年最亮的新星。 2015年3月15日晚，John Seach在人马座方向发现了一颗非常明亮的新星，它被命名为“人马座新星2015年2号”（Nova Sagittarii 2015 No.2）。这颗新星被发现时是6等星。此后这颗星在3月21日成为4.3等星，亮度大约是刚发现时的亮度的6倍，然后在23日开始变暗。

图：AdrianoValvasori使用位于澳大利亚的32厘米口径望远镜于2015年3月16日晚拍摄的“人马座新星2015年2号”的图像，并用此前的图片叠加对比。(Credit: Adriano Valvasori)

 再发新星 白矮星在喷发出物质之后，还会继续吸积伴星物质，在某一时刻重复喷发、变亮的过程。所以有些白矮星会导致多次新星爆发，在天空同一位置出现再发新星。天文学家认为，几乎所有新星爆发都会重复出现，只是时间间隔不一样——白矮星质量越大，重复爆发的间隔越短。短的可以只有1年，长的可以达到几千年甚至几万年。 至今为止，天文学家只发现十几组再发新星，其中10组是银河系内的，1组在仙女星系（M31），一组在大麦哲伦云（LMC）星系。仙女星系中的那组再发新星，每隔1年就可以重复爆发一次。比较著名的再发新星是“蛇夫座RS”（RS Ophiuchi），它至少被观测到6次新星爆发，分别于1898、1933、1958、1967、1985与2006年被观测到。 除了这些被明确确认的再发新星之外，中国古籍中关于新星的记载中，也有疑似的再发新星。比如，《汉书》记载了公元前公元前204年出现的新星与《隋书》记载的公元575年出现的新星很可能是同一个白矮星表面的爆发产生的再发新星。[5] 又如，《后汉书》记载了公元29年的新星与《文献通考》记载了公元911年出现的新星也很可能是同一个白矮星表面的爆发导致的再发新星。[6] 新星、宇宙中的锂与手机锂电池 宇宙大爆炸的最初三分钟，合成了宇宙中所有的氢、大部分的氦以及微量的锂。早期宇宙合成的锂只占当前所有锂的含量的百分之25，那么剩余的锂从何而来？ 在此前的理论中，人们认为宇宙线与星际介质的撞击、超新星爆发与新星爆发都可能产生锂。但前两类产生的锂与实际上观测的锂的含量并不吻合，还有较大缺口需要补上。因此新星就成为重要的可能候选。 理论上，Starrfield与合作者在1978年就根据计算断言：新星爆发可以产生足够的锂-7。但此后多年来一直没有观测上的证据表明新星爆发会合成锂-7。在海豚座2013新星与半人马2013新星被发现后，日本一个小组仔细观测了海豚座2013新星，欧洲的一个天文学家小组仔细观测了半人马2013新星。 两个小组都宣称首次观测确定新星爆发确实会产生锂-7。其中欧洲组直接探测到锂-7，日本组则探测到铍-7，后者会快速衰变为锂-7。[7] 因此，欧洲组的工作是天文学家首次从观测上直接发现新星的爆发可以产生锂的证据。日本组的发现相对间接。欧洲组计算出半人马2013新星合成的锂-7的质量约为几十亿亿吨。 根据这两个小组分别独立的研究，人们确信：新星爆炸会产生足够数量的锂-7，宇宙中大部分锂-7来自新星爆发。新星制造出的这些锂-7，正是锂电池里的那些锂。[8] 所以，当你使用手机时，要感谢几十亿年前在天上爆发的新星，它们让你用上你手机里的锂电池；当今年的三位诺贝尔化学奖得主走上领奖台时，他们也要感谢几十亿年前在天上爆发的新星，它们让他们拿到了诺贝尔奖。

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 注释：
[1] 最早使用“新星”这个词西方学者是著名天文学家第谷（Tycho Brahe，1546～1601）。第谷是在观测到一颗新星并持续观测之后写了一本书，用了拉丁文nova，汉语也译为“新星”。不过后代的研究发现他发现的这颗“新星”比一般的新星亮几万倍，因此将他发现的这颗新星归类为超新星，而非经典新星。[2] 《汉书》：“汉元光元年（公元前134年）六月，客星见于房。”瑞典天文学家伦德玛克（Knut Emil Lundmark，1889～1958）在1921年的一篇考证古代新星记录的论文里对这个事件进行了考证，他认为：这两者不是同一个东西，《汉书》记载的这颗新星其实是彗星，而喜帕恰斯观测到的只是一个普通的变星。但这个论断并未被普遍接受，现在普遍认为公元前134年这颗新星很可能真的是新星。[3] 陈遵妫先生研究中国古天文学史是被一件事情刺激的。1937年，当时已经在中国紫金山天文台担任研究员的他收到山本一清的信，信中说国际天文学联合委托山本领导一个团队，搜集中国古代天文学史料，希望陈遵妫先生提供帮助。陈遵妫先生深感屈辱与恼火：中国人的天文史料，为什么让外国人搜集？从此他开始研究中国古代天文学史。[4] 除了1901年那次新星事件之外，此后的多次爆发的亮度都远低于新星的亮度，真实亮度一般只有太阳亮度的几百倍，因此属于所谓的“矮新星”。作为对比，新星的真实亮度可以达到太阳的几万倍。矮新星的产生原理是：被堆积在盘上、尚未落到白矮星的物质构成的盘，在某个时刻自身温度突然升高，使亮度突然增强。矮新星与正文说的“新星（经典新星）”的产生原理完全不同：新星是到达“目的地”之后的物质爆发后发出的光，矮行星在“半路上”就突然变亮的物质发出的光。[5]《汉书》：“汉高帝三年（公元前204年）七月，有星孛于大角，旬余乃入”，《隋书》：“陈太建七年（公元575年）四月，景戌有星孛于大角”。[6]《后汉书》：“后汉建武五年（公元29年），客星犯帝座”；《文献通考》：“梁太祖乾化元年（公元911年）五月，客星犯帝座”。[7] 铍-7是氦-3与氦-4在新星爆发过程中结合出来的放射性元素，其衰变产物就是稳定的锂-7，半衰期大约53年。[8] 虽然锂-7多多种产生途径，但能够最终混杂进几十亿年前正在形成中的地球的那部分，很可能基本来自新星爆发后高速喷发出到宇宙空间的那些锂-7物质团，其他途径产生的锂-7并不那么容易在地球之类的行星上富集，而容易弥漫在太空中。

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表15篇Sci论文。业余也研究天文学史与物理学史。
—— ——往期精彩回顾—— ——● 宇宙学的黄金时代--2019年诺贝尔物理学奖点评●【诺奖得主Wilczek科普专栏】大数据不等于科学规律●【学术视频】Particle Cosmology | 中国科大蔡一夫教授●【学术视频】现代宇宙学 | 中科院理论物理所黄庆国研究员●【学术视频】Cuprate superconductivity without a model | 2003年诺奖得主Anthony Leggett教授
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