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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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26岁的超新星

2015-10-21 14:44:16

超新星爆发,被科学家称为“宇宙中的暴力事件”,是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这一爆炸过程都极其明亮,突发的电磁辐射经常能照亮其所在的整个星系。而在在段时间内,一颗超新星所辐射的能量可以与太阳一生辐射能量的总和相媲美!

 

超新星的英文名称为Supernovanova在拉丁语中是“新”的意思,这表示它在天球上看上去是一颗新出现的亮星(其实它原本就已存在,只是因亮度增加而被认为是新出现的)。

根据估算,在如银河系大小的星系中,超新星爆发的概率约为50年一次,这显然是一个小概率事件。不过,由于人们已经能观测到很多河外星系,因此每年都能知晓相当多的河外超新星事件。它们不仅为星际空间提供了丰富的重元素物质,同时,其产生的激波也会压缩附近的星际云,这是新的恒星诞生的重要启动机制。

不过纵观历史,人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星事件并不多,目前也只有6颗。其中,在1987年被人们发现的那颗超新星尤为特别。

 

来自天空的信使穿透地球

在日本岐阜县,深达1000米的地下有一个圆柱形大容器,容器里面装载的是纯水,它就是超级神冈探测器(Super-Kamiokande),可以探测到来自宇宙深处的中微子。探测中微子是一项很乏味的工作,而且长期以来并没有什么进展。但在1987223日,这个探测器突然接收到了来自宇宙深处的中微子,纯水中的那些光电管发出了11次闪光,它示意科学家,有中微子闯入了探测器……值班人员迅速将望远镜对准了太空,但很遗憾,他们并没有找到什么特别的目标。

与此同时,世界其他地方的探测器也接收到了中微子信号,美国的探测器接收到了8个中微子,俄罗斯则接收到了5个中微子。可惜的是,他们也没有在天空中找到目标。

不过,这三个探测器几乎是同时接收到中微子的,中微子爆发历时少于13秒。这表明,宇宙深处确实发生了某件特别的事情。

次日,在位于南半球的智利,有两位天文学家正在观测大麦哲伦星云,他们竟然发现了一颗超新星。同日,在南半球的新西兰,阿尔伯特·琼斯也观测到了这颗超新星。

这则消息在学术界迅速传播,那些中微子探测器的值班员们恍然大悟,他们要寻找的目标就是这颗超新星,是它的爆发导致了探测器的中微子流。

原来,之所以没能找到目标,是因为他们都在北半球,无法看到南半球的星空。而且,他们也忽视了中微子的一个重要特性:中微子具有极强的穿透性,那些中微子从地球的另一面而来,它们穿透地球来到了北半球,来到了中微子探测器中。

这个导致中微子流的超新星被科学家命名为1987A,在中微子流爆发之后的三个小时,它的光就来到了地球,可惜那个时候,位于南半球的天文学家并没有注意到。

中微子被称为微观世界的“隐身人”,任何物质也休想阻挡它们前进的步伐。超新星爆炸之后,碎片弥漫了周围的宇宙空间,阻挡了光的到来。但是,中微子却无视这些碎片,它们是宇宙中最可靠的信使。它们穿过碎片和尘埃,一往无前地飞奔,向外界报告这个重大的变化。

人类的中微子探测器就是为了迎接这个宇宙信使而准备的,它让我们能够得知宇宙深处的情况。超新星1987A的发现过程表明,中微子确实是最忠实的信使。

 

戴上了“珍珠项链”

在超新星1987A爆发的时候,哈勃望远镜还不存在。1990年,当它升上天空之后,科学家立即就想到让这个人类最了不起的眼睛,完成最重要的工作——好好看看这颗超新星的模样。

哈勃望远镜于1994年拍摄的照片显示,1987A就像一个圆环,当然这个圆环并不稀奇,它应该早就存在。科学家认为,超新星在爆发以前是一颗蓝色的超巨星,大约在两万年前,蓝超巨星的表面发生了气体膨胀,这些膨胀的气体在它的周围形成了一个气体环,但由于这个气体圆环不够明亮,所以我们看不到它。

在超新星爆发的时刻,爆发产生的猛烈激波会向周围急速扩展,冲在最前面的激波到达气体环的时候,就会与那里的物质发生强烈撞击,从而出现一个个热斑。这些热斑具有较高的亮度,也就成为了亮点,随着更多的激波到达气体环内侧,更多的亮点也随之产生。它们的温度从几千到几十万摄氏度不等,气体环中的这些亮点一个个连接起来,就像是一条珍珠项链。

当然,这条“项链”的形状并非一成不变的,在未来的几年里,随着更多激波能量的到达,整个环里的物质都会发光,到那时,点点“珍珠”也就消失了,它们会连成一个完整的环。

美国哈佛-史密森天体物理中心的罗伯特·科什纳感叹说:“我们过去简单地认为,超新星的爆炸轮廓是呈圆形的,但超新星1987A的爆炸碎片残骸其实是呈椭圆形分布的。而且,飞速喷溅的碎片正在撞入数千年前形成的气体环中。”

不少科学家认为,哈勃望远镜拍摄到的1987A“珍珠项链”照片,是其迄今最具有艺术魅力的作品,也是我们通过地面望远镜绝对无法看清楚的。至此,哈勃望远镜就养成了一个习惯:它几乎每年都要给1987A拍摄一张照片,让科学家好好研究这颗超新星。

 

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>>1987A的“珍珠项链”从1994年到2003年的变化

 

迷雾中的三环超新星

不过,1987A绝不仅有这一条“珍珠项链”,经过追踪观察,科学家渐渐发现了它的不寻常之处:在“项链”的外侧,还有两个环。也就是说,这个超新星被三个环包围着,这让天文学家十分费解。他们试图对这三个环的形成原因做出解释,但所有的理论似乎都难以自圆其说。

来自日本九州大学的田中高史教授和湘南工科大学的鹫见治一教授认为,这些环的形成也许是引力和磁场共同作用的结果。他们对此做了一些尝试性的解释,并使用计算机演示了整个过程。他们说:“中间的这个环是最早形成的,在这个环的上面和下面,分别受到引力和磁场的影响,引力把环剥离,在中间环的南极和北极分离出另外两个环。”

尽管他们的计算机成功演示了这个过程,但这其中依然有很多问题无法解释。毕竟,1987A出现的历史太短了,人类的科学史也太短了。科什纳感叹道:“真实世界的复杂和有趣,远远超过了我们的想象,总是在挑战我们的固有理论。”

 

400年一遇的客人

恒星是因为核聚变发光的,当它年老的时候,因能量不足就会导致引力坍缩,把外侧的物质抛撒出去,而内部则会收缩成为一颗致密的中子星或者白矮星。这个过程就是超新星爆发,实际上也就是一颗恒星的死亡过程。

在这个过程中,它会释放出巨大的能量,让这颗恒星一下子变得非常明亮。超新星1987A爆发的能量,就相当于过去它一生所释放出来的能量总和,一个拥有十亿颗恒星的星系,在它面前也会显得黯淡无光。

爆发的亮度通常会持续几个月或者一年多的时间,天体物理学家马丁说:“如果你看到一个亮点只持续几秒钟的时间,它通常是流星,而超新星爆发则是很难见到的奇观。不过,在广漠的宇宙中,每分每秒都会有超新星爆发,只是它们距离我们太远,难以被人类发现。即使是专业的天文学家,也只能通过对比大型望远镜拍摄的多张照片,才能发现超新星。”

 

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>>1987A爆发前后对照

 

超新星爆发会把大量的物质抛撒到宇宙中,我们地球上的重元素就是它们给予的。在科幻作家的笔下,超新星爆发还会激发生命的基因突变,产生变种。当然,我们不需要担心1987A爆发的能量会影响地球,天文学家认为,与超新星爆发距离30光年就是安全的,而如1987A则距离我们16.8万光年。

其实在古代中国,人们也曾看到过一颗超新星。我们的祖先认为它是来自天空中的客人,因此称其为客星。据史书记载,10547月,中国古代天文学家曾通过肉眼观测到天关客星爆发,它留下了蟹状星云,其中心还有一颗脉冲星,而脉冲星则是曾经发生过超新星爆发的最好证明。

1604年,开普勒也发现了一颗超新星,这是一颗银河系的超新星,距离我们较近。在两年多的时间里,人们一直可以在天空中寻找到它,它还一度成为天空中最亮的星。

不过,在此后的400余年里,一直没有出现过肉眼可见的超新星。其实,人们通过望远镜已经观测到了银河系和许多河外星系中的数百颗超新星,但凭借肉眼直接观测到并记录下来的超新星却寥寥无几。

 

等待神秘主角的登场

1987A的出现曾一度让天文学家兴奋不已,但无尽的疑惑也随之而来,前文提到的三环就是其中一个未解之谜。天关客星爆发的时候有没有形成三个环?开普勒超新星爆发的时候有没有形成三个环?科学家都无从知晓。

1987A在爆发3个月时,亮度曾达到最大,相当于三等星的亮度。随后,它就渐渐暗淡下来,但是它的环却越来越明亮。科学家已经观测了它26年,26年的观测就是要等待神秘主角的出现。

通过仔细的观察,科学家发现,在1987A的中心还有一颗星体的残骸。人们推测,它才是真正的主角,是它导致了三个环的存在。不过,即便是哈勃望远镜也无法拍摄到它的清晰照片。有人猜测它是一颗脉冲星,但令人遗憾的是,射电望远镜证实,那里并没有脉冲信号。在2012年拍摄的照片上,科学家依然看不到1987A的内部结构,爆炸留下的残骸究竟是什么,我们还是一无所知。

1987A外围的这条“珍珠项链”依然在向我们炫耀着它的年轻,外围的两个环,仍保持着莫名的神秘。天文学家唯有继续等待着,等待硝烟散去,主角登场。

 

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名词解释

天球:在天文学等领域中,天球是人们为了研究天体的位置和运动而引进的一个假想圆球。根据所选取的天球中心不同,分为日心天球、地心天球等。理论上,它具有无限大的半径,并假定各天体在天球表面上的投影就是天体在宇宙空间中的位置。

中微子探测器为何要用到纯水?

一颗中微子穿过水的时候,如果与遇到的原子核发生相互作用,会产生一种带电粒子。在水中,这种粒子会发射出一个锥形的浅蓝色光脉冲,称为“切伦科夫辐射”。在水的周围,布满了一层层仪器,用于检测这种辐射。大量的水担任着靶体的角色,可让中微子与它们发生相互作用;同时,这些水又起着介质的作用,使得物理学家能检测到这种相互作用。





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