夜空中最亮的星，創造繽紛宇宙

王善欽

古人看到的夜空中最亮的星

1572年11月11日夜晚，丹麥天文學家第谷（1546—1601）帶著仆人走在街上。當他抬起頭時，突然看到天上仙后座的位置上似乎多了一顆明亮的星星。此前就已經是天文觀測老手的第谷意識到，千載難逢的機會來了。他從那一夜開始，詳盡地觀測了這顆突然出現的星，并稱其為nova，即“新星”。這顆新星后來被命名為“第谷新星”。有學者認為，莎士比亞的《哈姆雷特》中也描述了第谷超新星，描述者為第一幕第一場中名為伯納多的軍官。

事實上，這顆星在此前3天，即11月8日，就已經被世界上多個國家的人發現了，這些國家中就包括中國。

明隆慶六年十月初三（1572年11月8日）夜，朝廷的天文官署（欽天監）在天空東北方的壁宿發現一顆特別亮的客星（中國古代指天空中新出現的星，如新星、超新星、彗星等）。這顆客星出現時，有彈丸那么大，微微發光;19天后變為橘黃色，光芒四射，有燈盞那么大，傍晚太陽下山前就可以看到。這顆星于第二年農歷二月才變暗，第三年農歷四月才消失。

同時代的許多中國人看到過兩次這樣的事件。上面那是第一次，第二次發生在萬歷三十二年九月乙丑（1604年10月10日）。欽天監持續觀測到這顆客星，它如彈丸般大小，紅黃色，持續一年后才消失。

意大利北部人在中國人發現這顆新出現的星星之前一天（1604年10月9日）就首先發現了它。它位于蛇夫座。10月10日，一名布拉格人透過云層看到這顆新星，并告訴了天文學家開普勒（1571—1630）。開普勒苦等多天，等云層終于散開后，他開始了為期一年多的詳盡觀測。這顆星最亮時僅略暗于金星。

然而，這兩次并不是人類關于明亮客星的最早記載。此前至少還有3次可靠的記載：

第一次是公元185年12月7日（東漢中平二年十月癸亥），在圓規座和半人馬座之間、靠近“南門二”星的地方出現了一顆客星，連續8個月可見。羅馬帝國的文獻可能也記錄了這顆星。據后代推算，這顆星最亮時達到金星亮度的幾十倍。

第二次是公元1006年5月6日（北宋景德三年四月戊寅），北宋的天文官署觀察記載了豺狼座出現的一顆耀眼的客星。它最亮時可以在夜間照出人影、分辨出物體。據推算，它最亮時達到了金星亮度的20～100倍，在夜間僅次于月亮。位于今天日本、伊拉克、埃及以及歐洲地區的人當時也發現了這顆突然出現的星。北美亞利桑那州巨人柱國家公園中的霍霍卡巖畫上畫的星體可能也是這顆星。這顆星在夜空中閃耀了1年又4個月才消失。

第三次是公元1054年7月4日（北宋至和元年五月己丑），北宋的天文官署發現夜空金牛座位置出現一顆特別亮的客星——天關客星。它持續了近2年才消失，最亮時是金星亮度的2～3倍，其中甚至有23天可以在白天看到它。

此前因為資料挖掘不夠充分，國內外很多人以為，古代西方人對東漢與宋代時期出現的客星沒有任何記載，這當然是錯誤的看法。但對這3顆特殊的客星，中國古籍中的記載是世界上最詳細的，其中對東漢時期發現的那顆客星，現存僅有的文字記載在中國古籍中（古羅馬文獻可能也有記載，但沒有保存下來）。

上面列舉的5次新星的共同特點是特別明亮，要么稍暗于金星，要么比金星更亮，甚至亮數十倍，更比其他絕大多數新星亮得多。

為什么看起來這么亮

為什么這幾顆新星特別亮？是因為它們離我們特別近，還是因為它們的真實亮度本就遠超過其他新星？由于人們一直以來都無法確定地球與其他恒星的距離，因此，關于新星亮度的這個問題便長期無解。

即使如此，也有人根據M31星系中的新星現象，得到了一些線索。截至1923年，人類觀測到了22次出現在M31星系的新星，其中有幾顆比其他新星亮得多，甚至幾乎可以用肉眼看到。不管M31距離我們多遠，不管它在銀河系內還是系外，它里面的新星與我們的距離幾乎都是一樣的。這就好比我們看遠處的一群人，他們每個人與我們的距離也幾乎相同。那么就能說明，M31中那些特別亮的新星，它們的亮度與距離無關，而是真的比其他普通新星亮得多。

美國天文學家柯蒂斯（1872—1942）曾提出，新星可分為兩類，其中一類會比另一類亮得多。后來瑞典天文學家倫德馬克（1889—1958）也提出，新星有兩大類，亮度高的是“巨新星”，亮度低的是“矮新星”。他還堅信M31是銀河系之外的星系。如果M31是銀河系之外的星系，那么它距離地球就非常遠，里面出現的幾顆最亮的新星的真實亮度是當時所有理論都無法解釋的。

1924年，美國天文學家哈勃（1889—1953）用M31中的造父變星測出了它與地球的真實距離，這個距離遠超此前人們認定的銀河系的大?。篗31確實是銀河系之外的巨大星系，而且比銀河系更大。

這首先意味著，M31中幾顆特別亮的新星，其真實亮度高到令人難以置信;其次，假設銀河系內所有新星都發生在距離地球同樣遠的地方，那古人看到的那些特別亮的新星可能都是同一類;最后，那些特別亮的新星看起來比其他大多數新星亮得多，是因為它們的亮度確實非常高，而不是因為它們與我們距離更近。

那么，為什么有的新星可以亮到那個程度，它們又是怎樣產生的呢？

超新星的誕生：大質量恒星與白矮星的毀滅

為了描述那些非常明亮的新星，瑞士天文學家茲威基（1898—1974）在1931年的一份講義中首次將“超級”（super）與“新星”（nova）連在一起，構成名詞“超- 新星”（super-nova）。1934年，他與德國天文學家巴德（1893—1960）在論文中提出：大質量恒星演化到末期，會將其中心壓縮成一個非常致密、幾乎完全由中子構成的天體，質量和太陽差不多，半徑卻只有約10千米;這時，恒星表面的物質就會被中子星反彈出去，產生超- 新星。1938年，這一名稱被正式確立為“超新星”（supernova，簡寫為SN）。后來的理論證明茲威基與巴德是對的，確實有相當一部分超新星來自大質量恒星的爆發。

1960年，英國天文學家霍伊爾（1915—2001）與英國物理學家福勒（1911—1995）合作寫了一篇論文，認為有一些超新星來自白矮星爆炸。這個想法也沒錯?，F在的理論和觀測研究都表明：如果白矮星堆積物質的速度太快而沒有及時噴發出去，就會迅速收縮、變熱，然后徹底炸毀自身，成為“熱核爆炸超新星”，對應的分類是Ia 型。兩顆白矮星并合在一起，也會爆炸成為Ia 型超新星。

望遠鏡發明前人類記錄的新星中，大約7個是超新星，其中5個已經確定了類型，只有1054年觀測到的那個是大質量恒星坍縮后爆炸形成的，其他4個都是白矮星爆炸形成的。

Ia型超新星的亮度演化比較有規律。通過某些方法，科學家可以將眾多遠近不同的Ia 型超新星的亮度演化曲線統一為同一個模板，定出其修正后的最亮值，這個值基本上是一樣的。利用這個性質，可以將Ia 型超新星作為標準燭光（測量其他天體輻射強度的標尺），探測幾十億光年之外的距離。1998年，兩個互相競爭的小組據此推斷出遠處的Ia型超新星比正常膨脹的宇宙模型給出的亮度低一些，據此判斷出宇宙在加速膨脹，進而給出了暗能量存在的證據。

除了以上兩種爆發模式之外，可能還存在第3種超新星爆發模式：如果恒星質量過大（130～250倍太陽質量），在中心聚變為氧核心時，氧核心的溫度過高，使大量高能光子變為中微子與反中微子，后者逃逸出星體，導致星體收縮、溫度升高，最后徹底炸毀，這就是“不穩定對超新星”。

超新星常見還是罕見

超新星的數量一直在迅速增長。

在古代，人類能夠看到并記錄下來的只有銀河系內的超新星爆發。天文望遠鏡發明后，天文學家從每幾年發現一個超新星，到每年發現幾十、上百個超新星?，F在，天文學家每年能發現幾千個超新星。2022年，美國多個天文機構合作主導的位于智利的8米口徑LSST 項目（Large SynopticSurvey Telescope，大型綜合巡天望遠鏡，簡寫為LSST）運行之后，每年可以發現幾十萬顆超新星。中國科技大學與中科院紫金山天文臺合作投資研發的位于我國青海冷湖的2.5米口徑WFST 項目（Wide Field Survey Telescope，大視場巡天望遠鏡，簡寫為WFST）也于2021年開建，建成后將在北半球發現大量超新星。

從這個角度看，超新星已經并不罕見。但銀河系內的超新星很罕見。

從望遠鏡發明之后到現在的400多年間，人類再也沒有發現過銀河系內爆發的超新星。在這期間，人類發現的超新星都在銀河系外，且唯一能夠用肉眼直接看到的是1987年觀測到的SN 1987A，它爆發于大麥哲倫星系。

據估計，銀河系內每百年只能爆發幾個超新星。但這只是平均值，事實上，有時候在幾十年內就可以觀測到兩個超新星，比如1006年與1054年，1572年與1604年;但有時候整整幾百年都觀測不到一個。我們難以觀測到銀河系內的超新星，一方面是因為數量確實稀少，另一方面是因為位置——如果一個超新星與地球之間隔著太多塵埃，它發出的光就會被塵埃大量吸收，最終無法到達地球，也就無法被我們觀測到。

我們都在盼望著能夠看到銀河系內爆發的下一個超新星。它一旦爆發，并能夠讓人類用肉眼看到，必將引發全世界的持久的觀測狂潮。

當前，人們發現一些大質量恒星已經接近死亡，比如冬季大三角中的參宿四——獵戶座α 星。它是一顆紅超巨星，顏色紅、亮度高，也許再過幾十萬年就會爆發為超新星，也許幾年后就會爆發為超新星，也許它已經爆發成超新星，發出的光正朝地球飛來。由于恒星演化過程的復雜性，沒有人可以精確地計算它爆發的時間。假如它爆發為超新星，未來的人類就無法在夜空中看到美麗的冬季大三角了，難免讓人覺得遺憾。

如果一顆離地球太近的恒星爆發為超新星，它發出的輻射就有可能破壞地球的大氣層。有人猜測，幾億年前地球上的幾次生物大規模滅絕，其中就有可能是由近距離超新星爆發引起的。不過，發生這么近的超新星爆發，概率是非常低的，我們大可不必擔心。

長胡子的超新星：伴隨伽馬射線暴

1967年，美國的維拉號（Vela）軍事衛星偶然探測到了持續幾秒的伽馬射線暴。冷戰時期，這些衛星用于監控蘇聯可能進行的太空核試驗所發出的伽馬射線。但分析很快排除了人工核試驗的可能性，說明這些爆發來自太空。這個結果在1973年公布后，引起了天文學界的廣泛興趣。這類現象被稱為伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，簡寫為GRB），簡稱伽馬暴。

此后，科學界相繼提出至少幾十種解釋伽馬暴的模型。1990年之后，最流行的幾種模型分別是：中子星與中子星碰撞、中子星與黑洞并合、大質量恒星坍縮。1998年，人類首次發現一個伽馬暴伴隨著超新星的可能證據。2003年，人類首次發現一個伽馬暴伴隨超新星的鐵證，從而證明有一部分伽馬射線暴來自超新星。

能夠產生伽馬暴的超新星非常少，至今被確認的不足100例。想要讓一顆恒星在爆發為超新星的同時產生伽馬暴，那就要求這顆恒星必須在爆發前失去外層的所有氫和絕大部分氦，還需要高速旋轉。即使一個超新星伴隨伽馬暴，如果爆發前的自轉軸沒有指向地球，它所發出的伽馬暴也無法被地球探測到。因為伽馬暴像噴泉一樣，具有強烈的方向性。

能夠產生伽馬暴的超新星非常少，至今被確認的不足100例。想要讓一顆恒星在爆發為超新星的同時產生伽馬暴，那就要求這顆恒星必須在爆發前失去外層的所有氫和絕大部分氦，還需要高速旋轉。即使一個超新星伴隨伽馬暴，如果爆發前的自轉軸沒有指向地球，它所發出的伽馬暴也無法被地球探測到。因為伽馬暴像噴泉一樣，具有強烈的方向性。

超亮超新星和多種元素的反應爐

一般的超新星的亮度可以達到太陽的幾億到幾十億倍。但過去20年中，天文學家發現了100多個超級亮的超新星，它們的亮度可以達到太陽亮度的幾百億甚至幾千億倍，被稱為“超亮超新星”。

科學家認為，超亮超新星與普通超新星的亮度很可能由不同的能源驅動。普通超新星的亮度來自超新星合成的放射性鎳-56，而超亮超新星的能量可能主要來自中心致密天體的轉動能，或者超新星物質撞擊周圍介質產生的熱量。超亮超新星非常罕見，產生概率是普通超新星的0.1%左右：每發現幾千個超新星，才有可能從中發現幾顆超亮超新星。

這里就涉及一個關于元素產生的問題。對人類來說，宇宙中的元素與地球上的元素來自何方，是一個長期受關注的課題。

大爆炸宇宙學表明，大爆炸之后能夠產生氫、大部分氦、少部分鋰、極微量鈹，此外再無法產生其他任何元素。另一方面，英國天文學家愛丁頓（1882—1944）早已提出，恒星內部的聚變反應不僅會釋放能量，還會合成多種元素。此后，霍伊爾、福勒和美國物理學家貝特（1906—2005）等人先后發展了恒星內部核合成理論。這個理論后來在伯比奇夫婦——美國天文學家瑪格麗特· 伯比奇（1919—2020）、英國天文學家杰弗里·伯比奇（1925—2010）——福勒與霍伊爾合寫的一篇論文“Synthesis ofthe Elements in Stars”（《恒星中的元素合成》）中得到完整發展。這篇文章成為恒星物理學的指標性論文，也被稱為“B2FH 論文”（論文4位作者姓氏首字母的組合）。人們因此確知，沒有銣重的中等質量元素大都來自恒星內部的核聚變。

如果恒星在沉默中死去，那么這些元素將永遠留在恒星內部，不會拋灑到太空。但由于超新星爆發，白矮星里堆積的碳、氧，以及大質量恒星里堆積的碳、氧、氖、鎂、硫、磷等大量元素被拋入太空。同時，超新星爆發還會合成大量硅以及比硅重、比銣輕的元素。也就是說，超新星的爆發會將其在爆發前與爆發后合成的元素全部拋向太空，摻入周圍的分子云之中，有的會化合成水和各類有機物，有的則凝聚成大小不一的無機物塵埃。

我們都是星塵

大約46億年前，宇宙中的某處分子云在自轉的同時，緩慢收縮、升溫。隨著時間的推移，分子云中心的氫最終聚集為一個熾熱的火球。分子云中的水被蒸發后升到外部，與原本在外圍的塵埃聚集，成為一個個巖土塊，巖土塊互相碰撞，黏在一起后形成更大的巖土塊。這樣的碰撞過程持續進行，最終形成圍繞中心火球轉動的多個巨大行星和無數個小行星。而火球中心也達到了足夠的溫度與壓強，啟動了核聚變，成為一顆恒星。這個火球就是我們的太陽，上面說的多個巨大行星中的一個就是我們的地球。

在地球形成之后，海洋里開始產生生命，并逐步向各種低級與高級的形態進化，最后進化出人類。包括人類在內的各類生命體中的幾乎所有元素，都來自地球，而地球上的元素，除了氫、氦、鋰等輕元素與金、銀、鈾、稀土等重元素，大部分都來自超新星噴發出的物質。至于宇宙中與地球上的重元素，它們大多來自中子星的碎片，而中子星本就是超新星爆發的產物。所以，可以說大部分重元素也是超新星的間接產物。

追本溯源，我們就會知道，占我們身體重量約70% 的水，其中的氧大部分來自超新星爆發后拋出的氧;我們血液中不可缺少的鐵，幾乎全部來自超新星爆發后合成的鎳-56（鎳-56在衰變后會迅速形成穩定的鐵元素）。

如果沒有超新星爆發拋出的物質，幾十億年前的那團分子云雖然還是會形成太陽，但太陽的周圍不會形成任何巖石行星，當然也不會有我們的地球，自然也不會有人類：人類依托地球生存，人類身體的大部分物質本就是超新星制造或者噴發出的物質。

“We are all stardust（我們都是星塵）.”美國天文學家卡爾·薩根（1934—1996）如是說?？吹竭@里，你想必已經明白了這句話中的含義。