宇宙中最壮丽的烟花

时间:2020-10-11 栏目:飞碟探索

高丙水

当你晚上仰望星空时,有没有想过这满天的繁星其实是有生命的?当它们走到一个演化周期的尽头,会以不同的方式结束自己的生命。超新星爆发就是恒星结束自己生命历程的一种方式,它用极其绚丽的“烟花”为自己的一生闭幕。在超新星爆发过程中,恒星会在瞬间释放巨大能量,亮度也随之剧增,以至于整个银河系都能看到它的光辉,可以称之为“宇宙中最壮丽的烟花”。

超新星的巨大威力

超新星在爆发过程中瞬间释放的能量高达10*焦耳。我们可能对这个数字没有什么直观的概念,还是举个例子吧——

看过《流浪地球》的人,一定对电影中的“行星发动机”印象深刻。为了推动地球逃离太阳的引力束缚,全球各地兴建了大量行星发动机,就是为了使地球加速到第三宇宙速度(16.7千米/秒)。地球脱离太阳系后,“行星发动机”全功率开启,将用500年的时间将地球加速至光速的5%o可,见要让地球去流浪还是非常困难的。那么假如超新星爆发中释放的能量全部用来给我们的地球加速,可以达到什么速度呢?答案是299792457.5米/秒,而光速是299792458米/秒,也就是说距离光速只剩一步之遥,只差0.5米/秒。

这样一比较,就对超新星爆发的威力有点儿概念了吧?可以说,我们用超超超超级核爆来形容超新星爆发一点儿都不为过。

美国宇航局(NASA)的斯皮策和钱德拉太空望远镜,以及西班牙的卡拉阿尔托天文台拍摄到了这张超新星遗迹的图像。这张合成图像结合了红外线和x光的视野,被NASA称为“炽热的膨胀碎片云”

地球附近的超新星爆发

超新星爆发在整个银河系中并不多见,每个世纪发生一两次。在几百万年以前,地球附近就可能发生过超新星爆发事件。这听起来可能有点骇人听闻,但这起事件是有科学证据的。那么,我们是怎样知道那么多年以前发生的超新星爆发事件的呢?这里就需要感谢铁元素的一个同位素:铁-60。

提到铁大家并不陌生,日常生活中的鐵到处都是,我们平常接触到的铁大部分(90%以上)都是铁-56,另外还有少量的铁-54、铁-57和铁-58,并没有铁-60,因为它的半衰期跟地球的年龄比起来实在是太短了,只有大约260万年。也就是说,每过260万年,铁-60的数量就会减少(衰变掉)一半,而目前地球的年龄是大约45亿年,即使一开始地球上有铁-60存在,到现在也都全部衰变完了。

然而有趣的是,科学家利用非常灵敏的加速器质谱技术,居然在太平洋底的岩石表层里发现了微量铁-60的存在(每个样品中发现了几十个铁-60原子)。而这些铁-60原子并不是均匀分布在这些岩石样本中的,而是只存在于某一特定深度下,这就引起了科学家们的极大兴趣。

我们知道,海底岩石中不同深度的样本记录了不同年代的考古学信息,就像树的年轮记录了不同年份的气候情况一样。既然这些铁-60原子不可能来自地球形成初期,那么它们又是从哪儿来,为什么会出现在地球上呢?

目前最合理的解释是——地球上所发现的这些铁-60原子,来自很久以前地球附近发生的某次超新星爆发事件。科学家通过分析铁-60原子在海底岩石样本中出现的深度信息,发现该超新星爆发事件发生在大约300万年以前。无独有偶,科学家们分析了20世纪“阿波罗”号探月飞船带回来的月岩样本,也同样发现了铁-60的痕迹。因比,地球附近发生过超新星爆发的猜想得到了进一步的证实。

铁-60的合成

好奇的你可能在想:铁-60是怎么产生的?它们又是怎么跑到地球上的呢?

这个故事还得从头说起。在恒星诞生时,形成它的“原材料”中就有微量的铁元素,这些铁元素的成分和我们日常生活中的铁类似,是不含有铁-60的。在恒星演化的某些阶段,这些铁元素中的铁一58会吸收一个中子,变成铁-59。而铁-59则有两条路可走:一是通过β衰变,变成钴的同位素钴-59;二是再吸收一个中子,变成铁-60。就是通过这种方式,恒星中实现了铁-60从无到有的奇妙变化。

一些恒星演化到最后阶段,会通过超新星爆发向宇宙中喷撒出大量物质,其中就包括铁-60。如果这个超新星爆发事件距离地球足够近,就会有一些铁-60原子飘落在地球上,最终在300万年之后被科学家发现。

细心的你可能已经发现,虽然铁-59可以变成铁-60,但也只是其中一条路会才通向这种变化,另一条路是通往β衰变形成钴-59的。那么铁-59到底更喜欢走哪条路呢?

为了回答这个问题,科学家们必须通过实验精确测量铁-59的β衰变速率,以及它吸收中子的速率,通过比较二者的速率大小,就可以确定铁-59走这两条路的概率,这样我们才能更清楚地知道地球上的这些天外来客铁-60到底是从哪里来的,它们的故乡距离地球有多远,甚至确定它们来自天上的哪颗星星。

这项研究内容引起了天文学家、天体物理学家以及核物理学家浓厚的研究兴趣,也是目前国际上的研究热点之一。

超新星爆发对地球的影响

此外,300万年前,那颗超新星爆发后,光顾我们地球的可不仅仅是铁-60,还有各种各样其他元素的同位素,以及大量的高能y射线等。而这些高能y射线能导致大气上层的氮气与氧气发生反应,生产氮氧化物,最终导致臭氧减少,使地球上的生物受到强烈的紫外线照射;同时,来自超新星的辐射还会引起大气层的电离,可能导致雷电和其他一系列效应,这对当时地球的生态环境和全球气候肯定造成了不小的影响。

有趣的是,大约在同一时期(250万年以前),全球气候也发生了剧烈变化,由较暖的上新世过渡到了较冷的更新世(亦称冰川世),而人类也随之出现。虽然目前我们尚不能确定超新星爆发和更新世的出现是否存在联系,但这无疑是一项非常有意思的研究。

超新星可按爆发机制大致分为两类:Ia型超新星爆发和核坍缩型超新星爆发(CCSN)。这里我们主要说的是后者CCSN

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