更多精彩视频登陆网站
www.koushare.com
古人看到的夜空中最亮的星
1572年11月11日夜晚，丹麦大名鼎鼎的富二代兼天文学家第谷（Tycho Brahe，1546-1601）带着仆人走在街上。当他抬起头时，他突然看到天上仙后座的位置上似乎多了一颗明亮的星星。他怀疑这是自己的幻觉，就指着天空中亮星出现的位置，问仆人：天上那个地方是不是多了一颗星？仆人看了后，说：是的，是的。第谷怀疑这是仆人为了讨好自己，故意附和，就拉了几个路人，问了同样的问题，路人给出的回答与仆人一样。 此前就已经是天文观测老手的第谷意识到，千载难逢的机会来了。他从那夜开始详尽地观测了这颗突然出现的星，并称其为“nova”，即“新星”。这颗新星后来被命名为“第谷新星”。有学者认为，莎士比亚的《哈姆雷特》中也描述到第谷超新星，描述者为第一幕第一场中的名为伯纳多（Bernardo）的军官。
图：“第谷新星”（后代改称为“第谷超新星”）在被观测到时在天空中的位置。（来源：网络） 事实上，这颗星在此前3天，即11月8日，就已经被世界上多个国家的人发现了。这些国家包括中国。明隆庆六年十月初三日（11月8日）夜，中国的天文官员（钦天监）在天空东北方的“壁”宿发现一颗特别亮的“客星”，这颗客星出现时，有弹丸那么大，微微发光；19天后，变为橘黄色，光芒四射，有灯盏那么大，太阳下山前可以看到。[1] 当时虚岁10岁的明神宗朱翊钧（1563-1620）刚登基，看到这颗星之后，以为这是上天对他的警示，吓得在夜晚露天跪拜祷告。[2] 这颗星第二年阴历二月才变暗，第三年阴历四月才消失。
图：“第谷新星”的遗迹的多波段成像图（NASA） 与明神宗同时代的许多中国人看到过两次这样的事件，上面那是第一次；第二次发生在万历三十二年九月乙丑日（1604年10月10日）。钦天监持续观测到了这颗客星，它如弹丸般大小，红黄色，持续一年后才消失。[3] 意大利北部人在中国人与朝鲜人发现这颗新出现的星星之前一天，1604年10月9日，就首先发现了它，它位于蛇夫座。10月10日，一名布拉格人透过云层看到这个新星，并告诉开普勒（Johannes Kepler，1571-1630）。开普勒苦苦等待了多天后，云层散开。然后他在此后进行了一年多的详尽观测。这颗星最亮时略暗于金星。 明朝与欧洲都记载的这两次特别亮的客星或新星，并不是人类记载的最早的两颗特别亮的客星。此前至少还有三次可靠的记载。 第一次是公元185年12月7日（东汉中平二年十月癸亥），在圆规座和半人马座之间、靠近“南门二”星的地方出现一颗客星，连续8个月可看到[4]。罗马帝国的文献可能也记录了这颗星。据后代推算，这颗星最亮时达到金星亮度的几十倍。 第二次是公元1006年4月30日（北宋景德三年四月戊寅），钦天监记载了一次豺狼座出现的一颗耀眼的“客星”，它最亮时可以在夜间照出人影，可以在夜间用来分辨物体，持续了一年又四个月才消失。[5]据推算，这颗客星最亮时的亮度达到了金星亮度的20倍或100倍，在夜间仅暗于月亮。日本、伊拉克、埃及以及欧洲人也发现了这颗突然出现的星。北美亚利桑纳州白坦克山地区公园的霍霍卡岩画上画的星体也可能是这颗星。 第三次是公元1054年7月4日（北宋至和元年阴历五月己丑日），北宋钦天监发现金牛座出现特别亮的客星——“天关客星”，它持续近两年才消失，其中有23天可以在白天看到它。[6] 这颗客星最亮时是金星亮度的两三倍。
图：1054年被观测到的“天关客星”，最终形成了美丽的蟹状星云。（NASA/ESA，HST） 此前因为资料挖掘不够充分，国内外很多人以为古代西方人对东汉与宋代出现的客星没有任何记载，这当然是错误的看法。但对于这三颗特殊的客星，中国古籍中的记载是世界上最详细的。而对于东汉时期被发现的那颗客星，保存下来的仅有的文字记载在中国古籍（古罗马文献可能也有记载，但即使有，也没有保存下来）。 上面所举出的五次“新星”的共同特点是：特别明亮，要么稍暗于金星，要么比金星更亮甚至亮几十倍，比其他绝大多数新星亮得多。 它们为什么看起来这么亮？ 为什么这几个“新星”特别亮？是因为它们离我们特别近，还是因为它们的真实亮度本就远超过其他新星？由于人们长期以来无法确定恒星距离，这个问题长期以来无解。 即使如此，已经有人根据M31中的一些新星现象，得到了一些线索。到1923年为止，有22次出现在M31的新星被观测到，其中有几个比其他的亮得多，甚至几乎可以用肉眼看到。不管M31距离我们多远，不管它在银河系内还是银河系外，它里面的新星与我们的距离都是几乎完全一样的。这就如我们看远处的一群人，他们每个人与我们的距离是几乎完全一样的。那么，M31中那些特别亮的新星自然是真的比其他普通的新星亮得多。
图：壮观的M31是与银河系最接近的大星系，它比银河系更大。图为业余天文学家Robert Gendler用12.5英寸（32厘米）口径的望远镜拍摄的M31的图像。（Credit: R. Gendler, Photo by R. Gendler） 柯蒂斯（Heber Curitis，1872-1942）于1917年提出：新星可以分为两类，其中一类会比另一类亮得多。后来，伦德马克（Knut Emil Lundmark，1889-1958）也提出，新星有两大类，亮度高的是“巨新星”，亮度低的是“矮新星”。 柯蒂斯还坚信M31是银河系之外的星系。如果M31是银河系之外的星系，那它就非常远，里面出现的几颗最亮的新星的真实亮度也就高到当时所有理论无法解释。柯蒂斯认为：宇宙中存在某个机制可以让恒星产生那么高的亮度。 1924年，哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）用M31 中的“造父变星”测出了它的真实距离，这个距离远超过此前认定的银河系的大小：M31确实是银河系之外的巨大星系。事实上，它比银河系更大。 这首先意味着M31中的几颗特别亮的新星的真实亮度明亮到令人难以置信。其次，假设银河系内所有新星都发生在距离地球同样远的地方，那古人看到的那些看上去特别亮的新星也可能与仙女星系中特别亮的新星是同一类。 那些特别亮的新星看起来比其他大多数新星亮得多，那是因为它们确实特别亮，而不是因为它们比其他的新星离我们更近。 那么，为什么有的新星可以亮到那个程度？它们是怎么产生的？ 大质量恒星与白矮星的毁灭：超新星的诞生 为了描述那些比一般的新星亮得多的新星，兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974）在1931年的一份讲义中首次将“超级”（super）与“新星”（nova）连在一起，构成“超-新星”（super-nova）。1933年，伦德马克首次在论文中用了这个词。[7] 1934年，巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade，1893-1960）与兹威基在论文中提出：大质量恒星演化到末期，会将中心压缩成一个非常致密的星体，它几乎完全由中子构成，质量和太阳差不多大，半径却只有大约10千米；恒星物质落到中子星表面后被反弹出去，产生了超-新星。1938年，“超-新星”中间的横杠被去除，变为“超新星”。后来的理论证明巴德与兹威基是对的，确实有相当一部分超新星来自大质量恒星的爆发。
图：大质量恒星演化出铁核心后的塌缩与爆发的示意图。（来源：Wikipedia）
1960年，霍伊尔（Fred Hoyle，1915-2001）与福勒（William Alfred Fowler，1911-1995）合作写了一篇论文，提出：有一些超新星来自白矮星的爆炸。这个想法是正确的。现在的理论研究和观测研究都表明：如果白矮星堆积物质的速度太快却没有及时喷发出去，就会迅速收缩、变热，然后彻底炸毁自身，成为“热核爆炸超新星”，对应的分类是Ia型。[8]两颗白矮星并合在一起，也会爆炸为Ia型超新星。 望远镜被发明前被记录下来的“新星”中，有大约7个是超新星，其中5个已经被确定了类型。这5个中，只有1054年被观测到的那一个是大质量恒星塌缩后爆炸成的，剩下的4个都是白矮星爆炸形成的。 图：单个白矮星堆积伴星物质后爆炸为超新星（左）与两颗白矮星并合后爆发为超新星（右）的艺术想象图。（Credit：NASA/CXC/M Weiss） Ia型超新星的亮度演化比较有规律，通过某些方法可以将众多远近不同的Ia型超新星的亮度演化曲线统一为同一个模板，定出其修正后的最亮值，这个值基本上是一样的。利用这个性质，可以将Ia型超新星作为标准烛光，探测几十亿光年之外的距离。1998年，两个互相竞争的小组据此推断出远处的Ia型超新星比正常膨胀的宇宙模型给出的亮度低一些，据此判断出宇宙在加速膨胀，进而给出了暗能量存在的证据。 除了以上两种爆发模式之外，可能还存在第三种超新星爆发模式：如果恒星质量过大，在中心聚变为氧核心时，氧核心的温度过高，使大量高能光子变为中微子与反中微子，后者逃逸出星体，导致星体收缩、温度升高，彻底炸毁。这就是“对不稳定超新星”。这样的超新星一直没有被确认。2019年8月发表的一篇论文 [9] 认为2016年被发现的SN 2016iet很可能是目前唯一被确认的对不稳定超新星，但依然有一些问题没有解决。 超新星：常见还是罕见？ 超新星的数量一直在迅速增长。在古代，人类能够看到并记录下来的只有银河系内的超新星爆发。天文望远镜被发明后，天文学家从每几年发现一个超新星，到每年发现几个、几十个超新星，然后突破一百。从几年前开始，每年有几千颗超新星被发现。2022年，美国多个天文机构合作主导的8米口径的大型巡天望远镜LSST运行之后，每年可以发现几十万颗超新星。中国科技大学与中科院紫金山天文台合作投资研发的2.5米口径的光学巡天望远镜也将在北半球发现大量超新星。从这个角度看，超新星已经并不罕见。 但银河系内的超新星很罕见。从望远镜被发明（1609）之后到现在的410年间，人类再也没有发现银河系内爆发的超新星。在这期间，人类发现的超新星都在银河系外，且唯一能够用肉眼直接看到的是1987年被观测到的SN1987A，它爆发于大麦哲伦云（LMC），后者是银河系的"卫星星系"之一。
图：SN 1987A爆发后的照片（左图）与爆发前的照片（右边白色箭头所指）（来源：见图下方水印） 据估计，银河系内每百年只能爆发几个超新星。但这只是平均值，事实上，有时候在几十年内就可以观测到两颗超新星，比如1006年与1054年，1572年与1604年；但有时候会整整几百年没有观测到一颗。 我们难以观测到银河系内超新星，一方面是因为数量确实稀少，另一方面是因为位置，如果一颗超新星与地球之间隔着太多尘埃，它发出的光就会被尘埃大量吸收，从而无法被我们观测到。 我们都在盼望着能够看到银河系内爆发的下一颗超新星。它一旦爆发并能够用肉眼看到，必将引发全世界持久的观测狂潮。 当前，人们发现一些大质量恒星已经接近死亡，比如冬季大三角中的参宿四（Betelgeuse）——猎户座α星。它是一颗红超巨星，颜色红，亮度高。也许它再过几十万年就会爆发为超新星；也许它几年后就会爆炸为超新星；也许它已经爆发成超新星，发出的光正在朝着地球飞过来。由于恒星演化过程的复杂性，没有人可以精确确定它何时爆炸。假如它爆发为超新星，未来的人类就不会再看到美丽的冬季大三角。所以我们还是希望其他星星爆炸吧。 如果一颗离地球太近的恒星爆发为超新星，它发出的辐射就有可能破坏地球的大气层。有人猜测，几亿年前的几次生物大规模灭绝，其中有的可能是近距离超新星引起的。不过，发生这么近的超新星爆发的概率是非常低的，我们大可不必担心。 长胡子的超新星：伴随伽玛射线暴的超新星 1967年，美国军事卫星Vela偶然探测到了持续几秒左右的伽玛射线爆发。这些卫星原本是为了监视苏联可能进行的太空核实验所发出的伽玛射线。但分析很快排除了人工核试验的可能性，说明这些爆发来自太空。这个结果在1973年公布后，引起了天文学界的广泛兴趣。这类现象被称为伽玛射线暴，简称为“伽玛暴”。 此后至少几十种模型被相继提出。到1990年之后，用来解释伽玛暴的最流行的几种模型分别是：中子星与中子星碰撞、中子星与黑洞并合、大质量恒星塌缩。 1998年，人类首次发现一个伽玛暴伴随着超新星的可能证据。2003年，人类首次发现一个伽玛暴伴随超新星的铁证，从而证明有一部分伽玛射线暴来自超新星。 能够产生伽玛暴的超新星非常少，至今被确认的不足100例。想要让一个恒星在爆发为超新星的同时产生伽玛暴，那就要求这颗恒星必须在爆发前失去外层的所有氢和绝大部分氦，还需要高速旋转。即使一颗超新星伴随伽玛暴，如果爆发前的自转轴没有指向地球，它所发出的伽玛暴也无法被地球探测到。因为伽玛暴像喷泉一样，具有强烈的方向性。
图：普通的超新星爆发的艺术想象图（左）与伴随伽玛暴的超新星爆发的艺术想象图（右）。伽玛暴具有强烈的方向性。（来源：https://www.universetoday.com/52412/supernova-or-grb-radio-observations-allow-astronomers-to-find-unusual-object/） 我们可以把那些伴随伽玛暴的超新星视为“长胡子的超新星”，把那些不伴随伽玛暴的超新星视为“没有胡子的超新星”，它们都是超新星，只是一个“长了胡子”。 银河系内的近距离伽玛暴也被视为地球过去物种灭绝的一个可能原因，被认为将来有可能威胁到人类生存。不过，近距离伽玛暴比近距离超新星更罕见，所以我们还是可以高枕无忧。 可以有多亮：超亮超新星 一般的超新星的亮度可以达到太阳的几亿到几十亿倍。但过去二十年来，天文学家发现了100多个超级亮的超新星，它们的亮度可以达到太阳亮度的几百亿甚至几千亿倍，它们被称为“超亮超新星”。 超亮超新星与普通超新星很可能由不同的能源驱动它们的亮度。普通超新星的亮度来自超新星里面合成的放射性镍-56，而超亮超新星的能量很可能主要来自中心致密天体的转动能，或者超新星物质撞击周围介质产生的热量。 超亮超新星非常罕见，产生率是普通超新星的千分之一倍左右：每发现几千个超新星，才有可能从中发现几颗超亮超新星。 超新星：爆炸的反应炉 对于人类来说，宇宙中的元素与地球上的元素来自何方，是一个长期以来受关注的课题。大爆炸宇宙学表明，大爆炸之后能够产生氢、大部分氦、少部分锂、极微量铍，无法产生其他任何元素。 另一方面，爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882－1944）早已提出，恒星内部的聚变反应不仅会释放能量，还会合成多种元素。此后，霍伊尔、福勒、贝特（Hans Bethe，1906-2005）等人先后发展了恒星内部核合成理论，这个理论后来在玛格丽特·伯比奇夫妇（Margaret Burbidge，1919－）、杰弗里·伯比奇（Geoffrey Burbidge，1925－2010）、福勒与霍伊尔写的一篇论文中被发展完整，这篇文章也被称为“B²FH论文”。[10]大部分不比铷重的中等质量元素确实大都来自恒星内部的核聚变。[11] 如果恒星在沉默中死去，那么这些元素将永远留在恒星内部，不会抛洒到太空。但由于超新星爆发，白矮星里堆积的碳、氧以及大质量恒星里面堆积的碳、氧、氖、镁、硫、磷等大量元素被抛到太空之中。 超新星爆发还会合成大量硅以及比硅重、比铷轻的元素。超新星爆发之后，将爆发前与爆发后合成的元素全部抛向太空，掺入周围的分子云之中，有的化合成水以及各类有机物，有的凝聚成大小不一的无机物尘埃。 我们都是星尘 大约46亿年前，有一个地方的分子云在自转的同时，缓慢收缩，缓慢升温。随着时间的推移，分子云中心的氢最终聚集为一个炽热的火球，水被蒸干后被排斥到外部；分子云外围的尘埃与水聚集为一个个岩土块，岩土块互相碰撞，粘在一起后形成更大的岩土块。
这样的碰撞过程持续进行，最终形成多个围绕着中心火球转动的巨大行星和无数个围绕着围绕中心火球旋转的小行星，而火球中心也达到了足够的温度与压强，启动了核聚变，成为一颗恒星。这个火球就是我们的太阳，上面说的多个巨大行星中的一个就是我们的地球。
图：太阳系形成过程的艺术想象图，最终，中心的热气体成为太阳，周围的尘埃、气体与液体形成行星。（来源：https://www.pmfias.com/solar-system-formation/） 在地球形成之后，海洋里开始产生生命，并逐步进化为各种低级与高级生命，最后进化出人类。包括人类在内的各类生命的身体中的几乎所有元素，都来自地球，而地球上的元素，除了氢、氦、锂等轻元素与金、银、铀、稀土等重元素，大部分来自超新星喷发出来的物质。
至于宇宙中与地球上的重元素，它们大多来自中子星的碎片，而中子星本就是超新星爆发的产物。所以可以说大部分重元素是超新星的间接产物，中子星如何产生碎片，以及与此相关的故事，我们在下一篇会详细说。
追本溯源，我们就会知道地球上所有生物体内的大部分物质来自超新星爆发喷出的物质。
特别是，我们身体的百分之七十的重量的水，其中的氧大部分来自超新星爆发后抛出来的氧；我们血液中不可缺少的铁，几乎全部来自超新星爆发后合成的镍-56，镍-56衰变后最终迅速形成稳定的铁元素。 如果没有超新星爆发抛出的那些物质，几十亿年前的那团分子云虽然还是会形成太阳，但太阳的周围不会形成任何岩石行星，当然也不会有我们的地球，自然也不会有人类：人类依托地球生存，人类身体的大部分物质本就是超新星制造或者喷发出的物质。 “We are all stardust（我们都是星尘）”卡尔·萨根（CarlEdward Sagan，1934-1996）如是说。看到这里，你自然会明白这里面的含义。
注释：
[1]《神宗实录》：“（隆庆六年十月）先十月初三丙辰夜，客星见东北方，如弹丸，出阁道旁，壁宿度，渐微芒有光。历十九日。壬申夜，其星赤黄色，大如盏， 光芒四出，占曰是为孛星。日未入时见，占曰亦为昼见。”按：“是星历万历元年二月光始见微，至二年四月乃没。”[2]《神宗实录》：“是时，上于宫中见之，儆惧，夜露祷于丹陛。”[3]《明史》：“（万历）三十二年九月乙丑，尾分有星如弹丸，色赤黄，见西南方，至十月而隐。十二月辛酉，转出东南方，仍尾分。明年二月渐暗，八月丁卯始灭。”[4]《后汉书》:“十月癸亥，一客星出于南门，其大如斗笠，鲜艳缤纷，后渐衰萎，于次年六月没。”《后汉书·卷十二·天文下》：“中平二年十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒稍小，至后年六月消。”[5]《宋史·天文志》：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南，骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库楼东。八月，随天轮入浊。十一月复见在氐。自是，常以十一月辰见东方，八月西南入浊。”这颗星在出现的那一年的9月（阴历八月），开始无法看到，到了12月又在氐宿出现，直到次年9月才消失。[6]《宋史·天文志》：“宋至和元年（1054年）五月己丑，客星由天关东方可数寸，岁余稍没。《宋会要》：“至和元年七月二十二日，守将作监致仕杨维德言：伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。……嘉祐元年（1056年）三月，钦天监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”[7]也有人认为，发明超新星一词的是伦德马克。例如，赫弗蕾（Dorrit Hoffleit）在1939 年的一篇会议论文中提出：伦德马克在1932 年的论文中最早建议“超-新星”一词。但实际上巴德与兹威基在1931年的讲义中就已使用这个词，且伦德马克的那篇论文是1933年发表的。奥斯特布罗克（Donald Osterbrock）在为巴德写的传记中说，巴德与茨威基讨论了伦德马克发明的“超新星”一词来称呼较亮的新星。但也有人认为当时伦德马克从巴德与兹威基那里得知了“超-新星”一词，然后开始使用这个词。[8]根据超新星的光谱，超新星可以被分为I型与II型，二者又可以进一步分为Ia、Iax、Ia-CSM、Ib、Ic、IIP、IIL、IIb、IIn、Ibn等类型。Ia型以及作为其变种的Iax与Ia-CSM型都来自白矮星爆发，其他所有类型都来自大质量恒星塌缩之后的爆炸，仅有少数例外。[9]Gomez, S, Berger, E, Nicholl, M, et al. 2019, ApJ, 881, 87[10]B2代表两个伯比奇，F代表福勒，H代表霍伊尔。[11]现在的理论认为，比铷重的一些重元素，其中一小部分来自恒星内部的“慢俘获”过程，大部分来自中子星与中子星的并合或者中子星与黑洞的并合。
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—— ——● 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
● 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
●【学术视频】Genes that control sleep and circadian rhythms | 17年诺奖得主Michael Young
●【学术视频】国际空间站上AMS 实验的最新进展 | 1976年诺贝尔物理学奖得主丁肇中教授
●【学术视频】什么是量子光学 | “2005年诺贝尔物理学奖得主”、“量子光学”之父--Roy J. Glauber 教授
●【学术视频】物理学百年展望 | 2004年诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek教授
END
扫描二维码，关注微信公众号