宇宙中有無(wú)數星系，每個(gè)星系中又有無(wú)數恒星，這些恒星也會(huì )像人一樣有生老病死的過(guò)程嗎？清華大學(xué)物理系教授王曉鋒說(shuō)，恒星演化到晚期會(huì )發(fā)生劇烈的爆炸，每次爆炸就好像一次絢爛煙花，你穿戴的金銀首飾，你計算機里用到的芯片，都來(lái)自于恒星爆炸釋放到宇宙空間中的元素。王曉鋒將給大家講講超新星爆發(fā)的故事。本文根據有意思博物館演講劇場(chǎng)——我是科學(xué)家「宇宙深處，心之所向」現場(chǎng)演講整理。
我叫王曉鋒，來(lái)自清華大學(xué)物理系。
我成為一名大學(xué)教師，多少有一些偶然的因素。
上大學(xué)的時(shí)候我報考了北京師范大學(xué)，但當時(shí)我并不想成為一名教師，原因是我覺(jué)得教師的責任重大——要傳道、授業(yè)、解惑，而當時(shí)我覺(jué)得自己沒(méi)有這個(gè)能力，或者缺乏一定的信心。另一方面，我又不想做純粹物理的專(zhuān)業(yè)，我高中的時(shí)候物理學(xué)得不太好，所以在選擇專(zhuān)業(yè)的時(shí)候費了一番腦筋。當時(shí)我地理學(xué)得比較好，又想成為傳說(shuō)中上知天文下知地理的大神，于是我就報了天文專(zhuān)業(yè)。
所以你看，人生的際遇是非常奇妙的，當時(shí)我不想成為教師，最后成了大學(xué)老師；當時(shí)我不想學(xué)物理，最后物理終身伴隨著(zhù)我。
演講嘉賓王曉鋒：《目睹一場(chǎng)宇宙的煙花》
大家一定很關(guān)心我每天在干什么。作為一位大學(xué)老師，除了正常的教課以外，我和我的學(xué)生基本上每天都會(huì )檢查星圖，也就是我們用望遠鏡在比較偏僻的山上開(kāi)展天文觀(guān)測。我們會(huì )看它跟之前的星圖比較有些什么異常，這其中我們關(guān)心的是恒星的爆炸的現象，也就是超新星。
超新星是恒星演化到晚期產(chǎn)生的非常劇烈的爆炸現象。說(shuō)得文藝一點(diǎn)，它就是一場(chǎng)宇宙的煙花；說(shuō)得恐怖一點(diǎn)，它就相當于在宇宙里炸了一個(gè)巨大的核彈。如果這個(gè)超新星爆炸離我們很近，那人類(lèi)就慘了。所以我們又期待看到美麗的風(fēng)景，又不希望這個(gè)東西離我們太近。
宇宙中有各種各樣的恒星，有小質(zhì)量的恒星，有大質(zhì)量的恒星。這些恒星最終都會(huì )面臨死亡，就像人的生老病死一樣。恒星內部會(huì )不斷發(fā)生核聚變反應，宇宙中最豐富的元素是氫和氦，氫通過(guò)核聚變反應變成氦，氦再燃燒變成碳，碳再燃燒會(huì )變成氧，氧燃燒會(huì )變成硫或者硅這些更重的元素，硅燃燒最后變成鐵，形成一個(gè)大鐵疙瘩，也就是恒星的鐵核。
如果大質(zhì)量恒星內部的鐵疙瘩超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍，這顆恒星就不穩定而發(fā)生塌縮，塌縮會(huì )引起連鎖反應，導致整個(gè)大質(zhì)量恒星的外殼層往里塌縮，產(chǎn)生核心塌縮的超新星爆炸。這是一類(lèi)比較常見(jiàn)的恒星死亡時(shí)候產(chǎn)生的超新星爆炸，叫做核塌縮超新星爆炸。
還有一類(lèi)超新星爆炸是由中小質(zhì)量恒星演化形成的，這一類(lèi)恒星叫白矮星。如果白矮星有伴星，可以吸積伴星的物質(zhì)將質(zhì)量增加到1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，這時(shí)也會(huì )產(chǎn)生非常劇烈的熱核爆炸，這一類(lèi)超新星叫熱核超新星。
大家可能見(jiàn)過(guò)這樣一張非常漂亮的圖，我們稱(chēng)它為蟹狀星云。蟹狀星云是產(chǎn)生于一個(gè)顆概十幾倍太陽(yáng)質(zhì)量的超巨星的核塌縮產(chǎn)生的超新星。在距今964年前的宋朝，中國古代的天文學(xué)家對這個(gè)超新星有非常詳細的記載，后面的這一排文字就出自宋史：至和元年（也就是宋仁宗），五月己丑出天關(guān)，東南可數寸，然后歲余稍沒(méi)。說(shuō)的就是這顆星在天上天關(guān)星的位置，亮度是23天白天可見(jiàn)。
那時(shí)候超新星爆炸非常亮，也非常壯觀(guān)，整個(gè)爆炸事件持續了600多天，這個(gè)亮度是肉眼可見(jiàn)。這一次的事件產(chǎn)生的超新星就形成了我們現在看到的蟹狀星云，而且在星云的正中心產(chǎn)生了一個(gè)非常致密的、高速自轉的中子星，這也符合我們關(guān)于恒星演化的理論。這次中國古代天文學(xué)家記載的詳細的信息，有助于我們理解大質(zhì)量恒星的演化。
公元1054年，這個(gè)超新星爆炸的時(shí)候，外殼層的物質(zhì)都噴向了星際的空間，然后超新星的遺骸慢慢演化就形成了我們今天看到的蟹狀星云，而這個(gè)星云還在不斷地長(cháng)大，中心就形成了一個(gè)非常致密的中子星。
實(shí)際上在超新星SN1054爆炸的40多年前，也是在宋朝，產(chǎn)生了另外一個(gè)，也是有史以來(lái)最亮的一個(gè)超新星爆炸的事件——公元1006年的超新星爆炸。這個(gè)超新星大概產(chǎn)生于1006年的5月1號，當時(shí)司天監（那時(shí)的天文官叫司天監）的總頭周克明看到了，老百姓也都看到了，但是周克明不敢馬上去匯報給皇帝宋真宗。因為他當時(shí)用占卜占了一下，覺(jué)得這個(gè)星可能是一個(gè)很兇險的星，如果皇帝知道了，他可能腦袋不保。等了一個(gè)月，周克明又重新算了一卦說(shuō)這個(gè)星是吉星，才就跟皇帝報告說(shuō)：“景德三年，四月戊寅，初見(jiàn)大星，色黃，漸漸光明”。也就是5月1號，天上看見(jiàn)一個(gè)非常大的星，顏色是比較黃——那時(shí)候黃色是比較吉祥的顏色，并不是代表超新星真的是黃色，慢慢越來(lái)越亮（這個(gè)星爆炸的時(shí)候最亮的星可以達到整個(gè)滿(mǎn)月的四分之一的亮度），在晚上的時(shí)候可以拿著(zhù)書(shū)在星光下看書(shū)。
可以想象那個(gè)時(shí)候超新星爆炸是多么壯觀(guān)。當時(shí)是景德三年，所以這個(gè)星也叫做景星，“景星高照”就是這么來(lái)的。
超新星SN1006來(lái)自于一顆致密的白矮星，這顆白矮星有一個(gè)伴星，它不停的吸積伴星的物質(zhì)直到質(zhì)量增長(cháng)到太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍，于是它的中心產(chǎn)生了核聚變的反應、爆炸，最后把整個(gè)恒星全部炸掉。
超新星SN1006跟剛才的超新星SN1054是不一樣的，原因就是SN1054爆炸過(guò)后會(huì )在中心形成一個(gè)非常致密的中子星或者是黑洞，但是SN1006是所有的星體全部炸掉——它把恒星所有的能量、物質(zhì)全部都拋到星際空間中。
我非常羨慕宋朝的人，可以親眼目睹兩顆非常明亮的超新星接連的爆炸。在幾百年之后，到了1572年，銀河系又產(chǎn)生了一個(gè)第谷超新星；然后緊接著(zhù)大概32年以后，又產(chǎn)生了開(kāi)普勒超新星。這兩個(gè)超新星都是以西方天文學(xué)家的名字來(lái)命名的，但實(shí)際上中國天文學(xué)家記載的超新星爆炸要比西方的最早記錄還要早三天，所以我們中國古代的天文學(xué)家在天文學(xué)上，尤其關(guān)于客星（中國古代管超新星爆炸叫客星，即天上突然多了一個(gè)星）的記載是領(lǐng)先世界的。
在1604年產(chǎn)生了超新星爆炸以后，一直到現在我們還沒(méi)有看到非常明顯的銀河系超新星爆炸事件，所以我們非常期待銀河系下一顆超新星爆炸。
最有可能成為銀河系下一顆超新星爆炸的星是哪一顆？經(jīng)過(guò)天文學(xué)家的調查，發(fā)現它在船帆座。船帆座在是南半球，而我們在北半球，如果它真炸了我們還真是看不到，除非把望遠鏡放到南半球，比如說(shuō)智利。
這顆編號SBW2007的恒星與大麥哲倫星云1987年產(chǎn)生的一個(gè)超新星，SN1987A長(cháng)得特別像，中心是一個(gè)非常致密的藍超巨星，天文學(xué)家認為它有可能成為下一顆。
我作為一名超新星的研究人員，非常希望在有生之年能夠親眼看到一次超新星爆炸的事。雖然超新星爆炸產(chǎn)生的高能射線(xiàn)對人體有害，但是SBW2007離我們很遠，有2.5萬(wàn)光年，大家大可放心，它的爆發(fā)對我們基本上沒(méi)有任何影響。我現在正在加緊布置望遠鏡到智利，希望到時(shí)能夠逮到這個(gè)超新星爆炸的信息。
銀河系產(chǎn)生超新星爆炸的頻率并不是很高，大概幾十年到幾百年才會(huì )有一顆。但實(shí)際上在宇宙誕生之初大概幾千萬(wàn)年到幾億年的時(shí)候，宇宙中形成的大質(zhì)量恒星特別多，而且質(zhì)量比現在的恒星要大很多倍，所以那時(shí)產(chǎn)生超新星爆炸的速率是非常高的。據統計，整個(gè)可觀(guān)測的宇宙每秒鐘產(chǎn)生30次超新星爆炸。
宇宙極早期的超新星爆炸是非常非常頻繁的。原初的星云塌縮凝聚形成大質(zhì)量的恒星。這些大質(zhì)量恒星很快——幾千年幾萬(wàn)年，就形成了超新星爆炸。如果站在宇宙邊緣去看，就仿佛看一場(chǎng)盛大的宇宙煙花。
我們現在研究宇宙極早期的超新星不能靠眼睛，因為人眼能看到的最大最亮的星大概是六等星，我們必須要借助于比較大的望遠鏡。
我回國以后組織了一些天文觀(guān)測的項目，比如利用國家天文臺60厘米施密特望遠鏡、紫金山天文臺1米施密特望遠鏡，在整個(gè)天空搜索超新星的爆炸事件。也組建了超新星搜索小分隊。通過(guò)幾年的努力，我們共發(fā)現了接近400顆超新星的爆炸事件，其中包括自宋代以來(lái)中國人發(fā)現的最近的一顆超新星，梅西耶M99星系里面的一顆超新星。
我們還發(fā)現了一個(gè)特別奇怪的“僵尸超新星”。僵尸超新星是指幾十年前就已經(jīng)炸過(guò)一次，最近兩年又炸了的，也就是說(shuō)死而復生又開(kāi)始活動(dòng)了的。
我們是和美國的一些項目共同獨立發(fā)現的僵尸超新星，其中TNTS就是代表中國的項目，上面和下面都是美國的項目，可以看到我們發(fā)現時(shí)間還是比較早的。
這個(gè)超新星的奇特之處在哪呢？圖中下面藍色很短的線(xiàn)是一個(gè)正常的超新星爆炸的光度演化，橫軸代表時(shí)間，也就是說(shuō)一般持續幾個(gè)月就消失了。但是這顆超新星持續了幾百天，而且它的能量要比普通的超新星要高幾十倍，還產(chǎn)生了多次的能量爆炸的現象。
這是2014年的發(fā)現。最有趣的是我們檢查歷史星圖，發(fā)現它在1954年就已經(jīng)爆過(guò)一次了，所以我們稱(chēng)它為僵尸超新星，現在已有的理論都不能解釋它的特殊能量產(chǎn)生的情形。這次爆炸以后這個(gè)星還活著(zhù)嗎？我們利用哈勃空間望遠鏡在爆炸過(guò)后又開(kāi)展了一千多天詳細的觀(guān)測，發(fā)現它應該是徹底死。
研究超新星有什么用？剛才我們講，宋朝1006年那一次超新星是來(lái)自于一顆白矮星吸積伴星產(chǎn)生的爆炸。白矮星都是在1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的時(shí)候炸掉，可以想象，它們爆炸所產(chǎn)生的能量比較均勻，所以可以探測宇宙演化命運的標準燭光。
在上個(gè)世紀末，國際上有兩個(gè)團組尋找了宇宙早期的這一類(lèi)的超新星爆炸的事件，即熱核超新星爆炸。通過(guò)對比我們近鄰宇宙的超新星爆炸，發(fā)現遠處的超新星的亮度要比近處的暗30%。
為什么會(huì )暗呢？
一個(gè)原因可能是我們宇宙膨脹的速度比我們想象中的要快，而超新星處于更遠的距離，所以給人“它好像變得更暗了”的錯覺(jué)，從而提出了所謂宇宙存在暗能量的這樣一個(gè)概念。暗能量怎么來(lái)的？就是通過(guò)觀(guān)測這一類(lèi)的超新星爆炸提出來(lái)的。再結合其他的一些觀(guān)測，認為宇宙還存在暗物質(zhì)。我們今天認為的宇宙的組份：73%的暗能量，23%的暗物質(zhì)，只有4%的正常的物質(zhì)——就是我們看到的星星，氣體等。所以宇宙有96%的東西我們是不知道的。
我們了解得越多，就發(fā)現我們對宇宙知道得越少。借用張雙南老師一句話(huà)，他說(shuō)不常見(jiàn)的是美的，那么我想說(shuō)，看不見(jiàn)的更美：暗能量，暗物質(zhì)都看不見(jiàn)，吸引著(zhù)無(wú)數的人去研究，所以它是最美的。
超新星還有一個(gè)重要作用，它為人類(lèi)生命的形成提供了基礎。超新星是宇宙的煉金爐，恒星中心產(chǎn)生的重元素都是通過(guò)超新星爆炸釋放到宇宙星際空間的，如果沒(méi)有超新星爆炸，咱們在座的各位都不存在。人體血管里流淌的氧，集成電路半導體的硅，建筑物用到的鐵等等，都是通過(guò)超新星爆炸釋放到宇宙空間形成的。所以說(shuō)超新星相當于宇宙再循環(huán)的催化劑——原初的星云形成的恒星爆炸以后，形成的重元素通過(guò)超新星爆炸的形式又循環(huán)到這個(gè)星云，這些更重的元素參與下一代的恒星演化，就形成了所謂的“富二代”的恒星。我們太陽(yáng)系就是太陽(yáng)附近的恒星爆炸產(chǎn)生的殘骸。
超新星爆炸為人類(lèi)展現了壯麗的宇宙煙花表演，為宇宙生命的形成提供了基礎，為科學(xué)家提供了探索宇宙命運的燈塔，所以我們要感謝這些犧牲自我而照亮宇宙的恒星。
我作為一名大學(xué)老師和科學(xué)家平時(shí)總有很多的工作要做，有時(shí)候覺(jué)得很疲憊，就走出去看看星空，煩惱就拋到九霄云外了，因為個(gè)人的煩惱跟整個(gè)宇宙的大尺度事情相比就不值得一提。我也鼓勵在座的各位，煩惱的時(shí)候可以走出去看看星空。
謝謝大家。
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