天文太空

恆星自爆 華麗煙火秀

超新星爆炸是太空中最炫麗的煙火秀,現在更發現許多詭異的爆炸類型,天文學家急欲理解恆星殞落的背後究竟有什麼秘密。

撰文/卡山(Daniel Kasen)
翻譯/李沃龍
2016-09

天文太空

恆星自爆 華麗煙火秀

超新星爆炸是太空中最炫麗的煙火秀,現在更發現許多詭異的爆炸類型,天文學家急欲理解恆星殞落的背後究竟有什麼秘密。

撰文/卡山(Daniel Kasen)
翻譯/李沃龍
2016-09


在我們可觀測的宇宙裡,幾乎每個瞬間都有恆星遭逢毀滅性的災難,包括恆星震動、碰撞、塌縮成黑洞或超新星爆炸。這些平時潛藏在寂靜夜空裡的動態宇宙現象,最近成為天文研究的熱門主題。近一個世紀以來,科學家不斷嘗試勾勒宇宙百億年來的演化,但直到最近,我們才有辦法以更精準的時間尺度,來解析天上發生的事件,並見證恆星生與死的無常反覆。

雖然過去我們欠缺適當的工具來詳細研究這些天文現象,但宇宙無常的證據其實早已存在:中國人在公元1006年,便以肉眼觀察現身數星期的「客星」;偉大的丹麥天文學家第谷(Tycho Brahe)曾在1527年觀測到類似的事件,克卜勒(Johannes Kepler)也在大約30年後留下相似的觀測記錄。如今我們已知道,這些對古人來說神秘的天象,其實就是超新星爆炸。在爆炸的高峰期,超新星比10億顆太陽還要明亮。但是對我們而言,這些發生在宇宙深處的事件,就像廣闊夜空中昏暗的斑點,不太容易發現它們的蹤跡。

拜現代科技革新所賜,我們開始有能力研究動態的宇宙事件。全自動化的天文望遠鏡,配備高解析度的數位相機,觀測數據可輸入電腦做影像處理並進行模式辨識。望遠鏡規律監看大片天空,記錄夜空中任何突發的恆星爆炸事件。過去10年,這項新科技每年幫助天文學家發現數千起新的恆星爆炸事件,我們每星期找到的超新星數量,與整個20世紀所看到的一樣多。

我們不只看到更多超新星爆炸,更發現了許多奇怪的新種類。有些恆星爆炸比一般超新星明亮100倍,有些則黯淡100倍;有些煥發深紅輝光,有些釋出紫外光;有些亮光可經年持續,有些則在短短數天內就消逝不見。恆星的死亡樣貌遠比我們以往理解的更多樣。

天文學家正在設法理解這些詭異爆炸事件的機制。明顯地,它們透露出關於恆星生死的重要線索,以及恆星在極端溫度、密度與重力環境下的物理特性。透過研究各類型的超新星,我們希望最終能理解,什麼造成恆星粉碎並成為恆星殘骸,例如黑洞。

超新星也能顯現關於我們自身起源的一些啟示。在大霹靂之後,宇宙中物質成份主要是最輕的氫與氦原子。根據理論,我們生活周遭的一切事物,像是我們骨頭中的鈣或血液中的鐵,都是從爆炸的恆星裡融合噴出。科學家以往認為,普通的超新星就會製造出所有重元素,但在發現這麼多種異常的恆星爆炸後,週期表上不同區塊的元素很可能有不同的起源。藉由觀測各式各樣的超新星,我們得以釐清恆星爆炸的種類,以及超新星與構成地球及生命的元素之間的關聯。


典型超新星

為了理解新發現的某些超新星有多怪異,我們可以先來看本身就令人驚豔的典型超新星。基本上,恆星就像一個穩定的核子反應爐:由重力束縛住一大團電漿,藉由核心的核融合反應提供能量。核融合產生的熱提供壓力,抵抗向內拉扯的重力。超新星爆炸代表原本達成的力平衡被破壞,重力澈底戰勝核反應,反之亦然。

典型的超新星多是至少10倍太陽質量的中等恆星。這些恆星在數百萬年的壽命裡,會持續不斷把氫融合成越來越重的元素。一旦恆星核心鍛造成鐵,核融合反應無以為繼,便化為一方核子廢墟。當失去了向外的壓力後,核心便在重力拉扯下崩潰塌縮數百萬倍。比太陽稍大一點的質量,被塞進只有約10立方公里的空間,因此變身成一顆超緻密的中子星。塌縮過程中物質自由下落釋出巨大的能量,炸飛恆星的其餘部位。

為理解典型超新星爆炸時的能量有多大,我們可以想像太陽所有的氫(足夠維持超過100億年的核子燃料)在區區數秒內全數燒光。我們甚至給如此巨大的能量一個特別的單位:1貝特,以紀念1967年諾貝爾物理獎得主貝特(Hans Bethe)的貢獻。當超新星爆炸,恆星內部溫度可升到超過28億℃,發出超音速震波,矽、鈣、鐵與放射性同位素的鎳、鈷、鈦等重元素便在震波之下融合而成。恆星在幾分鐘之內炸得粉碎,灰燼與放射性殘骸形成的雲團便以每小時約3200萬公里的速度噴濺擴散。

幸運的是,我們的太陽太小,不足以形成超新星。但若太陽能像超新星一樣爆炸,第一個徵兆便是發出一陣短暫而強烈的X光爆,消滅地球上所有生命。幾分鐘之內,太陽的殘骸雲將膨脹至兩倍,亮度提升至太陽的1000倍以上。幾個小時後,殘骸雲將吞噬地球,再過一天便能飛越木星與土星的軌道。數星期之後,太陽的灰燼將遍佈於整個太陽系。至此,殘骸雲最終成半透明狀態,原本局限其間的光傾洩而出,使得整團雲氣的亮度達到頂峰,相當於太陽光度的10億倍。

天文學家幾乎從未觀測到超新星爆炸當下釋出的X光爆,也極少能夠從觀測照片中找出爆炸前的普通恆星。我們通常只能看到爆炸後持續膨脹的巨大雲氣,因放射性殘骸而煥發輝光至少數星期。我們可以透過檢視灰燼,來拼湊出毀滅的超新星種類與爆炸原因。