2022 3月 31 By binance币安怎么注册下载 0 comment
  • 文/语星叶,与一只米克斯黑狗简单地生活在新竹,正在努力成为天文学家。

看星星,是大多数人接触天文的契机。现今,看见满天星斗对於被光害荼毒的都市人而言是一种奢侈,相较於古时夜无灯火,总有许多静谧无光的夜晚,能让人们一同仰望星空,思索空中的奥秘。多数星星安静地闪烁,被人类赋予神话故事,成了现在为人所知的「星座」。另外,有少数几颗不安分地移动着,它们的移动方式看似有规则,有时候却会逆行,这些在天空中漫游的星星,我们就称之为「行星」 。

在极少数的情况,我们会发现过去未曾注意到的星点,犹如初来乍到的旅客,古时中国称之为「客星」 [注一]。现在我们知道,这些看似新生的星,实则气数已尽。利用强大的各波段望远镜,人类侦测到大量「新」光,并提出多种机制来解释星光快速且剧烈改变的现象。

本文将介绍 3+1 种天文现象,分别为「新星(Nova)」、「超新星(Supernova)」和「极亮超新星(Superluminous supernova / Hypernova)」,以及「千级新星(Kilonova)」。前两者的观测历史源远流长,後两者则归功於现代发达的观测技术,才让我们得以一探究竟。

新星:我可一点都不年轻!

新星(Nova)来自拉丁文,有 「new」 之意。过去,人们仰望宁静无波(一成不变)的星空时,若是偶然发现从未见过的星星,便称之为「新星」。但如今我们知道,新星其实不是刚诞生的星,而是古老的小质量恒星,会在它们的生命终章──白矮星时期,突然变得异常明亮。

白矮星是小质量恒星死亡後的产物,致密、温度高,但亮度低,平常不易观测。一般而言,白矮星是非常稳定的天体,但如果身边有个伴,情况就不同了。若是白矮星和伴星互绕的距离过近,使得伴星的氢被吸向白矮星表面,并在其表面点燃核融合反应,产生剧烈的光度变化,让白矮星成为用肉眼可见的「新星」。

近年,天文学家发现,新星的出现经常伴随强烈的伽玛射线,推测是来自新星爆发时产生的冲击波。後续研究指出,新星的高光度也是以冲击波作用为主,而不是来自表面的核融合反应,打破了以往既有的观点。

超新星──宇宙中的灿烂花火

超新星(Supernova)顾名思义是新星的 Super 版,比「新星」更亮的星星──天文名词总是取得如此浅显易懂。超新星的光度远超越新星,其形成机制也有所不同。

目前科学界认为超新星有两种不同的形成机制,分别为「热核超新星(Thermonuclear supernova)」与「核心塌缩超新星(Core-collapse supernova)」。

「热核超新星(Thermonuclear supernova)」前身和新星一样是白矮星,差别在於热核超新星爆炸极具毁灭性。当白矮星的质量增加到「钱德拉赛卡极限(Chanfrasekhar limit)」,也就是临界值时,引爆其核心的碳元素将剧烈爆炸,将使白矮星灰飞湮灭。质量增加是因为白矮星身边有个伴,可能是两个白矮星白头偕老、最终合并,也可能和新星一样是老少配,然後白矮星吸走年轻伴星的表面物质。但究竟是哪种配对导致热核超新星爆炸,天文学家还在热议。

「核心塌缩超新星(Core-collapse supernova)」则来自大质量恒星核心塌缩後造成的热压爆炸。当大质量恒星的核心燃料用罄,无法支撑极强的重力而塌缩时,就会产生巨量的热能,并向外爆发。整个过程仅以秒计。爆发後,周围形成漂亮的超新星残骸,核心则塌缩成中子星或黑洞。

值得一提的是,超新星是少数能够串联古今天文学的研究领域。历史上数个着名的超新星爆发事件,在世界各地的文明史料中皆能发现记录。目前推测人类文明见过最亮的超新星事件是 SN1006(西元 1006 年),最亮时甚至比启明更亮 [注二],即使在白天仍可用肉眼看见,而且持续长达数星期。着名的梅西尔天体 M1(蟹状星云)也是超新星爆炸後的残骸,自 1054 年的超新星爆发中产生,相关记录散见史册,而且至今仍是天文界炙手可热的研究对象。

+1 的部分:极亮超新星

现代观测技术的进步使超新星事件变得常见,有多部自动望远镜凝视着宇宙虚空,在星际间搜寻着超新星的亮光,这类计画称为巡天(Survey)计画。在众多的观测数据中,天文学家注意到一类特别明亮的「极亮超新星」(令人不禁想吐槽天文学家如此单纯的命名逻辑),这些超新星比一般情况亮了 2 个数量级以上,并且非常罕见。

到 2017 年止,人类仅观测到约 100 颗极亮超新星。由於数据过少,天文学家对其形成机制的想像可谓瞎子摸象、暂无定论,目前仍归类为超新星。那麽,极亮超新星究竟是超新星的超级版,抑或是来自不同的形成机制,唯有持续探向更遥远无垠的古老宇宙,才有机会揭发这个谜团了。

千级新星──看见宇宙之音

「千级新星」是非常新的天文研究领域,研究过程也极具戏剧性。故事得从科学家研究重力波开始说起。

重力波是重力作用产生的时空涟漪。百年前,爱因斯坦的理论便预测其存在,但重力波非常微弱,连爱因斯坦本人都不相信人类有朝一日能侦测到重力波。直到 2015 年,人类才首次「听」到两颗黑洞合并产生的重力波 [注三]。不过,重力波的讯号指向性不佳,难以「听音辨位」,也就是用重力波讯号回推事件发生地点。若我们能同时「看」到电磁辐射讯号(该事件发出的电磁波),便可蒐集更多更精确的数据,以了解究竟是在宇宙何处发生了什麽事。

令人难过的是,两颗黑洞合并几乎不会产生电磁辐射,因此无法用上述的方法获得更多资讯。

後来,科学家发现,当两颗中子星合并、或一颗中子星与一颗黑洞合并时,发出的重力波讯号虽较两颗黑洞合并更弱、也更难侦测,但这两种事件不只会产生重力波,也会发出电磁辐射,因此是重力波干涉仪的重要侦测目标。2010 年,天文物理学家探讨了这两种合并事件可能的电磁辐射样态,得出的结论是和新星事件一样会有剧烈的光度改变,而且最大亮度约是新星的千倍,於是命名为「千级新星(Kilonova)」。

千级新星的发光机制和超新星不同:超新星的光度主要来自爆炸产生的放射性镍元素衰变,而千级新星则主要来自两颗中子星,或中子星与黑洞碰撞合并时,大量发生的核反应——「中子捕获作用」,此类核反应仅在极端物理环境下产生,是形成金、银、铅等重元素的重要机制。过去科学家认为宇宙中重元素的生产者是超新星,然而超新星爆炸的观测数据却发现,超新星事件发生的中子捕获作用的「产能」并不足以支撑现有的重金属比例,因此千级新星便跃上研究舞台,被认为是重元素的主要产地。

2017 年,LIGO 及 VIRGO 重力波干涉仪共同侦测到人类史上第一场双中子星合并事件 GW170817。当时,世界各地的望远镜几乎都暂时放下常规任务,争相投入这场观测马拉松。最终的成果令人振奋,不但同时侦测到重力波与相应的电磁波源,分析结果也与千级新星理论预测的讯号相符,这代表我们首次观测到了千级新星!

这场盛会更昭示了「多信使天文学」时代的来临 [注四]。重力波探测与多波段电磁观测的结合,替人类的宇宙探索之旅翻开崭新的一页。今日,科学家们正期待着下一对共舞的致密天体摇响精密仪器的银铃,让更多未解之谜得以拨云见日。

宇宙看似恒常不变,然而在无尽好奇的驱使下,人类以最新科技突破既有的感官极限。我们洞见宇宙深邃瞬变的幽光,聆听时空悠远微弱的呢喃。宇宙「新」光的无尽奥秘,还有待来日的勤奋深掘。

注解

注一:客星指新出现的星,意义上包含彗星等在太阳系内游走的天体,惟不在本文范畴。

注二:金星是地球的夜空中最明亮的星,清晨及黄昏也可见。古时称金星出现於黄昏为「太白」、「长庚」,出现於清晨为「启明」。

注三:人类听见的声音主要来自空气分子的震荡,只要震荡频率在 20~20000 Hz 的范围,并且经由介质传递使耳膜震动,我们就能听见。虽然重力波是时空震荡,无法直接以耳朵听见,但概念上类似,因此常见到科学家将重力波讯号转换成「音讯」,方便人们感受。

注四:多信使天文学(Multi-messenger astronomy)指利用多种讯号探索宇宙的现象。不同於早期仅以可见光探看宇宙,人类如今能够探测光子、电磁波、微中子、重力波和宇宙射线等高能带电粒子。透过这些讯号,可以传达不同面向的资讯,协助我们拼凑出单一宇宙现象更细致的原貌。GW170817 事件除了以重力波和电磁辐射观测,亦有微中子观测站参与,只是没有找到相关联的微中子讯号,因此理论在这方面尚未证实,有待解惑。

延伸阅读

  • 令人『震』惊的新星研究新发现 – A Nova Outburst Powered by Shocks
  • 超新星 SN 1987A 30 周年超新星理论模型 – 科学月刊 Science Monthly
  • 千级新星与重元素起源
  • 宇宙中的金属是怎麽来的?宇宙中重金属元素的起源 – 科学月刊 Science Monthly
  • 重力波:探测十三亿光年外的黑洞合并──《宇宙的颤抖》 – PanSci 泛科学

参考资料

  1. Li, KL., Metzger, B.D., Chomiuk, L. et al. (2017). A nova outburst powered by shocks. Nat Astron 1, 697–702. https://doi.org/10.1038/s41550-017-0222-1
  2. Aydi, E., Sokolovsky, K.V., Chomiuk, L. et al. Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova. Nat Astron 4, 776–780 (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1070-y
  3. Gal-Yam, A. (2019). The most luminous supernova. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 305–333. https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081817-051819
  4. Metzger, B.D., Martínez-Pinedo, G., Darbha, S., Quataert, E., Arcones, A., Kasen, D., Thomas, R., Nugent, P., Panov, I.V., Zinner, N.T.. (2010). Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 406(4), 2650–2662. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2010.16864.x
  5. Smartt, S., Chen, TW., Jerkstrand, A. et al. (2017). A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source. Nature 551, 75–79 . https://doi.org/10.1038/nature24303

  • 台湾杰出女科学家系列专访,持续更新中!

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