獵戶之肩15年來縮小15%或將發生超新星爆發

幾個恆星的體積比較，太陽……已經小得看不見了。

17世紀天文學家約翰·赫維留筆下的獵戶座。參宿四就在畫中獵戶的右肩上。由於視角的關係，該圖中的星空和我們實際觀測到的呈左右鏡像關係。

　　近15年來參宿四縮小15% 天文學家認為它可能即將發生超新星爆發

　　「獵戶之肩」即將爆炸

　　獵戶座是人類最熟悉的星座之一，大概除了北斗七星所在的大熊星座，一般人認識的星座就只有這個寬肩細腰的「獵人」了。獵人的肩頭有一顆星叫「參宿四」。它是全天排名第10的亮星。不過，近15年來，參宿四縮小了15%。一些天文學家認為，它很可能「在我們眼前」變身成一顆超新星。更粗魯一點的說法是：它老人家要爆炸了！

　　1 類別 行將就木的紅巨星

　　參宿四是一顆紅巨星。所謂巨星，就是一顆恆星的體積膨脹得很大，相當於它「青年時期」的十億倍之多。稱它為「紅」巨星，是因為在這恆星迅速膨脹的同時，它的外表面離中心越來越遠，所以溫度將隨之降低，發出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。肉眼看到的最亮的星中，許多都是紅巨星。

　　參宿四有多大呢？因為很難說它的邊界到底在哪裡，所以只能給出一個大概的數字。參宿四的質量約是太陽的20倍，而體積超過太陽的兩億倍。

　　一般來說，紅巨星都處於恆星的「晚年」。之所以說它處在晚年，是因為它即將變成超新星爆掉。簡單說，紅巨星內部的核燃料將不足以支撐它那麼大的體積，而引力引起它的坍縮。在這個過程中引力勢能會形成巨大的熱能，造成大爆炸。

　　天文學家相信，參宿四的歷史只有850萬年，剛夠從猿猴演化成人的時間，但因為它的質量太大了，所以演變的速度非常快。在此需要再一次感謝我們世界的大佬———太陽，正因為它老人家大小合適，才能讓我們消消停停地在地球上演變成現在的樣子。

　　雖然可以肯定參宿四已經進入老年，但它什麼時候「死掉」卻很難確定，可能是上萬年，也可能是1000年內，也有可能就在明天。近年來它持續縮小，有人覺得它很快就要爆掉了。

　　2 變數 15年來持續縮小

　　美國加州大學伯克利分校設在南加州威爾遜山脈頂峰上的紅外空間干涉儀(ISI)長期監測表明，從1993年開始，參宿四的直徑已經縮小了15%。參宿四的直徑大約有5個天文單位，也就是說它的直徑五倍於地球軌道，而縮小的部分相當於金星的軌道直徑那麼大，縮小速度平均大約是每小時760千米。

　　加州大學伯克利分校的名譽教授、曾因發明激光和微波激射器而獲1964年諾貝爾獎的湯斯(Charles Townes)說：「這個變化非常讓人吃驚，我們將會密切關注它，看看它是會繼續縮小，還是會脹大到原來的大小。

　　湯斯和他的同事，該校的空間科學實驗室實驗物理學家維施諾(Edward Wishnow)表示，ISI在15年來一直集中觀察參宿四，主要是為了更多地了解這顆巨大恆星的表面。他推測這顆恆星表面有巨大對流氣室，就像太陽表面的對流氣室一樣，它們可能影響了對它直徑的觀測。湯斯和曾經帶過的研究生塔特比(Ken Tatebe)曾經在近年觀察到參宿四表面上有亮斑，說明它表面可能被一個巨大的氣室包圍，雖然它看上去還是對稱的。

　　雖然參宿四的直徑縮小了，但是它的亮度並沒有明顯降低。據美國變星觀察協會的測定統計，在15年裡這顆星的光度並沒有明顯的變化。但它的亮度在歷史上確實有過很大變化，它是一顆「變星」，也就是亮度會變的恆星。1836年，約翰·赫希爾爵士發表論文說，參宿四的亮度在1836年到1840年之間增強，之後又減弱。之後每隔幾年都會經歷一次這樣的亮度循環。但在1957年到1967年之間，它的亮度幾乎沒有變化。據美國變星觀察協會統計，它最暗的時候是在1933年和1942年，光度是0.2，而最亮的時候是在1927年和1941年，光度幾乎達到1.2。

　　3 測定 相關數據多次變動

　　參宿四有著光榮的「直徑測量史」。事實上，它是除太陽外被人類測量直徑的第一顆恆星。上世紀80年代到90年代初，科學家們對參宿四表面進行了研究，它是除太陽外第一個在望遠鏡中顯現「盤子」形象的恆星。

　　1921年，皮斯和邁克遜通過光學干涉儀測定參宿四的大小相當於火星的直徑。以前一直以為參宿四距地球430光年，去年測定確認它距地球640光年。根據「近大遠小」的規律，對它大小的估計也就要相應調整，於是它的直徑數據從3.7個天文單位變成了5.5個天文單位。可見參宿四的直徑比太陽大出很多。體積跟直徑的立方成正比，所以參宿四的體積是太陽的上億倍就一點也不奇怪了。

　　維施諾表示，從1921年的測量起，參宿四的直徑已經被測定過多次，差異大約有30%。不過他說，在任一指定波長的測量數據中，同一時間段測量的數據都在儀器的誤差範圍內。

　　4 期待 如果爆發將創歷史

　　ISI是由湯斯和同事們於上世紀90年代修建的，主要通過一個窄波段的中紅外線來測定恆星的邊緣。湯斯說：「我們觀察波長大約11微米的中紅外光。這種光可以穿透灰塵。」

　　湯斯表示，他們很幸運擁有一台能夠在15年內一直運轉，不斷提供參宿四直徑測量數據的機器。「當你以更大的準確性觀察事物，你會找到一些驚喜，會發現非常基礎，非常重要的事情。」他們第一次測量結果很接近邁克遜的數值，但是在15年中，它的直徑已經減少了15%。這種變化是一種「勻加速過程」，也就是說它變小的速度越來越快，不過「加速度」是恆定的。

　　有人說這種縮小說明參宿四進入了引力坍縮階段，而它的質量足夠讓它變成一顆中子星或黑洞。對於它的大小來說，它850萬年的歲數算是夠大了，它可能會在未來的1000年內變成超新星爆掉。如果爆發，它將是有史以來最亮的一顆超新星。而且，它將是人類第一顆「眼睜睜看著爆發」的超新星。中國科學院高能物理所研究員譚有恆表示，人類此前從來沒有看到一顆恆星變成超新星的全過光年，所以它爆發時放出的射線並不足以毀滅地球的生態系統。

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　　大眾文化中的參宿四

　　獵戶座的主體有七顆亮星，中間三顆稍暗的就是電影《變形金剛2》中提到過的「三個國王」，相當於獵戶的腰帶；有兩顆亮星組成獵戶的「肩頭」，還有兩顆亮星組成他的「裙角」。參宿四的英文名字「Betelgeuse」，在拉丁語中是「腋窩」的意思。因為參宿四火紅的顏色，它又被叫做「戰爭星球」。

　　參宿四被稱作「獵戶座阿爾法星」，但它實際上比「獵戶座貝塔星」還要暗一些，後者位於「獵戶右裙角」。

　　在中國，獵戶座的七顆亮星是星座「參宿」的主要組成部分。「參」特指「腰帶三星」。「參宿四」的意思是「參宿」的第四顆星，之所以排老四，是因為「獵戶的腰帶」三顆星佔了前三位。

　　恆星晚年絢爛爆發 肇造黑洞以及各種重元素

　　宇宙中的「超級巨星」

　　參宿四在15年內變暗15%。這個奇怪的現象讓科學家們猜測，它可能會在一個較短(其實對人類來說很長)的時間內變成一顆超新星。那麼，什麼是超新星呢？簡單來說，超新星就是宇宙當中的「super star」。

　　1 太空悲劇大爆炸

　　超新星爆發非常亮，其瞬間亮度經常能超過整個星系的亮度總和，在幾周或幾個月後從人們的視線中消失。在這個短暫的爆發周期中，超新星所釋放出的能量，比太陽在其整個生命周期中所釋放出的還要多。這種大爆炸會讓恆星中的大量物質以1/10光速的速度向外擴散，衝擊波會激蕩周圍所有的物質。衝擊波裹挾爆發前就已經在超新星周圍的氣體外殼和灰燼，讓它們也加速向外擴散。

　　天文學家推測，有好幾種機制都可能激發超新星爆炸，其中包括突然加大內部能源供應，也包括突然停止內部能源供應。

　　紅巨星即將走完自己輝煌一生的時候，它內部的核能快要燃燒殆盡，產生的熱量已經不足以維持它龐大的體積，其主要的物質可能因為巨大的引力而發生坍縮。在坍縮的過程中，引力勢能會轉化成巨大的熱能，把星體外圍的物質向外推。這個過程就像一出悲劇，在它的核心瞬間發出巨大的熱，讓它的其他部分快速遠離，並同時發出強烈的光。

　　在這樣的爆發發生之前，紅巨星的外部開始發生不穩定的脈動振蕩：恆星半徑時而變大，時而又縮小，穩定的主星序恆星變為極不穩定的巨大火球。火球內部的核反應也越來越趨於不穩定，忽而強烈，忽而微弱。一些天文學家認為，我們現在看到的參宿四，正是這樣的。

　　第二種情況則是一個白矮星不斷吸收周圍物質，讓它的內核溫度和密度不斷上升，以致引爆碳燃燒過程。在幾秒鐘之內，白矮星內部的一部分物質會發生核聚變，釋放巨大的能量而引起超新星爆發。

　　當然，超新星爆發還有其他幾種可能的機制。超新星的「超」字可不是白給的。中科院高能物理所研究員譚有恆說，超新星和新星的區別在於爆發能量的顯著不同，前者是後者的幾萬倍，所以前者突然增加的亮度也是後者的很多倍。兩者的機制也完全不同，新星的爆發不像超新星那麼激烈，最終也不會造成一顆恆星的滅亡。

　　2 形成奇怪密星體

　　超新星爆炸讓恆星死亡了，那麼爆炸之後會留下些什麼呢？答案是中子星和黑洞。

　　在紅巨星坍縮過程中，恆星物質中的電子併入質子轉化成中子。星體剩餘的物質形成一個直徑大約只有十餘千米的球。組成這個球的物質，密度超大，1立方厘米的物質便可重達10億噸，火柴盒大小的物質，需要96000個火車頭才能拉動。中子星雖然很小且不發光，但它可不是冷的喲。天文學家估計，中子星的表面溫度就可以達到1000萬度，中心能達到60億度，而太陽表面溫度6000攝氏度都不到。

　　中子星還有一個奇怪的性質，它可以發出像時鐘一樣準確的脈衝。1967年，天文學家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1至2秒發射一次，就像人的脈搏跳動一樣。人們曾一度把它當成是外星人的呼叫，轟動一時。後來，英國科學家休伊什(Antony Hewish)終於弄清了這種奇怪的電波的來由。原來，中子星的旋轉速度極快，磁場又極強，所以會因為電磁轉化而向外發出電波。由於其磁軸和自轉軸並不重合，磁場旋轉時所產生的無線電波可能會以一明一滅的方式傳到地球，有如人在眨眼。

　　中子星是宇宙中密度第二大的星體———名列榜首的當然就是大名鼎鼎的黑洞了。超新星爆發后，如果星核的質量超過了太陽質量的兩三倍，那它將繼續坍縮，最後成為一個體積無限小而密度無窮大的「奇點」，並從人們的視線中消失。圍繞著這個奇點的是一個「無法返回」的區域。這個區域的邊界被稱為「視野」或「事件地平」，而區域的半徑則叫做「史瓦西半徑」。任何進入這個區域的物質，包括光線，都無法擺脫這個奇點的巨大引力而逃逸，它們就像掉進了一個無底深淵，永遠不可能返回。譚有恆說，在許多恆星系的中心也有一個因引力坍縮而形成的超大質量黑洞。一些科學家懷疑銀河系中心就是一個黑洞。黑洞雖然「黑」，但並非完全不能被探測到，比如當物體被黑洞吞沒時，會因為互相碰撞而使溫度上升到幾百萬度，併發出χ射線和γ射線。在宇宙中，只有黑洞能使物體在密集的軌道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才會以這種方式發射χ射線和γ射線。

　　3 穿金戴銀全靠它

　　超新星爆發后，向外發射很多「宇宙線」。譚有恆說，宇宙線是來自宇宙深處的高能粒子，它的組成包括太陽系中所有的各種原子核。在超新星爆發后，粒子會經電場加速、磁場加速，後來又有衝擊波加速，把它的速度加速到接近光速，形成高能宇宙線。

　　那麼，宇宙線打在人身上會產生什麼作用呢？譚有恆說，它們打在身上會有一系列作用，太多就會把人殺死，而微量的宇宙線卻能夠幫助人體產生營養物質。那麼，超新星爆發會對地球環境產生影響嗎？譚有恆表示，完全不用擔心這種問題。超新星噴發出的宇宙線大多是沿著它的旋轉軸心方向。大多數情況下，這個軸並不指向地球。而且超新星大多離我們很遠，由於宇宙中存在著大量的物質和磁場，這些高能粒子在運動的過程中會偏轉，正好打到地球的數量並不會太多。而進入太陽系之後，太陽的磁場，也就是所謂「太陽風」會把它們「吹」走。地球的磁場也會使它們偏轉。最終，大氣層還能降低它們的能量。和太陽射線對我們的影響相比，超新星爆發對人類的影響將是微乎其微的。

　　不過，超新星爆發卻給我們帶來另一種重要影響，那就是產生重元素。多數科學家認為，宇宙初期的大爆炸形成了氦、鋰等輕元素，之後它們通過聚變形成更重的元素。在所有元素中，比鐵輕的元素都能夠通過聚變釋放能量，而重於鐵的元素的形成過程則需要吸收大量能量。所以聚變形成的最重元素就是鐵。科學家一般認為比鐵更重的元素都是由超新星爆炸形成的。所以，如果沒有重金屬元素，也就不會有金首飾和鎢絲燈泡，也不會有核反應堆了。如果電視購物的推銷員知道了這一點，他們聒噪的宣傳過程或許會變得有趣一些：「現在，你可以把來自百億年前的輝煌佩戴在自己胸前！」或者「天吶！為了這串項鏈，一顆恆星都爆了呀！」

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　　超新星發現史

　　古代中國人將新星和超新星叫做「客星」。歷史上最早的一次新星記錄出現在春秋時期。最早的超新星記錄大概要屬《後漢書·天文志》中的記載了。這顆超新星在公元185年12月7日出現，到公元187年七八月間才消失，總共持續了大約一年半。

　　最令人矚目的超新星要屬《宋會要輯稿》中記載的1054年出現在天關星附近的那一顆。後來，人們在這個位置上發現了蟹狀星雲。1921年，天文學家推算它的年齡只有1000多年。人們很自然就會推想蟹狀星雲可能是1054年超新星爆發所射出的外部物質擴散形成的。譚有恆說：「我們老祖宗發現了蟹狀星雲超新星，現在那個口還開著，放出宇宙線」。

　　2008年，天文學家發現了278顆超新星。不過，其中大部分都要藉助望遠鏡才能看到。用肉眼能夠觀察到的只有6顆。1987年2月23日，天文學家在大麥哲倫星雲中發現了一顆超新星，這是自1604年以來第一顆用肉眼能看到的超新星。如果參宿四爆發的話，我們也能用肉眼觀察到它。除此之外，天文學家們認為，位於船底座的海山二(150倍太陽質量，7500光年左右)、位於天蠍座的大火(15倍太陽質量，600光年)、位於室女座的角宿一(260光年)等著名恆星都排列在這張超新星等待表上。

　　新知專題采寫/本報記者 劉錚 本專題感謝：譚有恆(中科院高能物理所研究員)

寫得非常生動有趣。尤其是「穿金戴銀」部分。