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《大科技》11月封面文章：震撼宇宙的爆炸案http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-05-22
每一次爆炸，都会在宇宙中掀起一片腥风血雨；每一次爆炸，都会留下一颗诡异神秘的天体；每一次爆炸，都会引发一串星星的诞生；每一次爆炸，都在制造生命所需的元素；科学家正在苦苦探索其中的奥秘……
奇特的案件：人脑突然扩容 大约200万年前，人类的祖先——原始猿人有过一次脑容量在短期内激增4倍的现象，这是人类进化史上的一次重大飞跃。在这个转折点之前，人类祖先的脑容量和黑猩猩相差无几，但此后一切都改变了：人类在进化的大道上迅猛飞奔，并最终创造了现代文明，而黑猩猩什么变化也没有，直到今天还在森林中摘果儿吃。 究竟是什么促成了人类祖先的脑容量如此快速地增加呢？一般认为是当时的第四纪冰期锤炼了原始猿人的智力。当时急剧的环境变化迫使所有的动物必须能不断地适应新的环境，对于体力和耐寒能力都不占优势的原始猿人来说，不断发展智力是唯一的选择。 然而，为什么当时只有原始猿人发展出智力，而其他与原始猿人差不多的动物种群如黑猩猩等却没有发展出智力呢？这里是否还别有隐情？ 研究人员新近发现了一条新线索：他们在大约于200万年前沉入海底的样本中，发现了一种铁的同位素——铁60。铁60是极为稀有的元素，它只能由并不经常发生的超新星爆炸产生。超新星爆炸产生的高能粒子猛烈地撞击地球大气层，最后像薄薄的一层尘埃一样落到了地球上——铁60就是这样被带到地球上沉入海底的。研究人员根据计算机模型推测，200万年前太阳系附近可能发生了两起超级爆炸案——两颗超新星相继爆发出耀眼的光芒，它的亮度可以与构成银河系的所有其他2000亿颗恒星的亮度相媲美。 那么，这两颗超新星与地球生命的发展是否存在着联系呢？研究证实，超新星向太空释放出强大的冲击波和密集的辐射，强烈的辐射可能冲散了太阳系周围的星际间粒子，然后直抵地球，使地球受到了强烈的毁灭性辐射震荡，地球上空的臭氧层随之遭到破坏。这样，地球就失去了抵御太阳紫外线的保护层，在历时数百年的时间里一直处于强烈的辐射下，使地球上的生物受到了强烈影响。动物的基因可能遭到了各种各样的突变破坏，当时浮游生物和软体动物大量消失，一些陆生动植物也消失了；而基因的变异也同时导致了一些新物种的出现。 也正是在那个时候，人类的直接祖先直立人——据认为是最早的真正的人类——在非洲出现，取代了非洲南猿等类猿生物。因此，有科学家认为，在那个危险远远多于机遇的放射性年代，我们的祖先可能是为数不多适应了当时条件的幸运儿。 虽然人类进化与超新星爆炸案之间的关系还需要更多的证据才能作出定论，但作为宇宙中最大、最多爆炸案的制造者，超新星确实有着不同一般的身手。一次典型的超新星爆炸，其时间极为短暂，但却释放出高达10的44次方-10的45次方焦耳的能量。极度猛烈的爆炸使星体碎裂扩散开来，强烈的辐射穿越了整个宇宙，给宇宙带来了剧烈的震荡，它所造成的影响不可估量。 事实上，随着研究的深入，超新星爆炸的意义远远超出了科学家当初的估计，它是我们宇宙中最为重大的事件之一，极大地丰富了宇宙中的物质，重塑了宇宙中的星系，创造了新的不可思议的天体，深刻地影响了宇宙的结构。更重要的是，它还为宇宙中生命的形成和发展作出了不可或缺的贡献。 现在，让我们把目光投向宇宙深处，去追寻那遥远的大爆炸所产生冲击波和种种奇异的结果吧！ 制造爆炸的“恐怖分子” 如此剧烈的爆炸案是怎样发生的？有时候，遥望星空，你可能会惊奇地发现：在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星！然而仅仅过了几个月甚至几天，它又渐渐消失了。这颗神秘的星星就是爆炸案的制造者——超新星。古时候，人们以为它是一颗新诞生的星，因此，称它为“新星”或“超新星”。其实，超新星并不是新出生的星，恰恰是垂死恒星的“葬礼”，是恒星的死亡阶段。科学家深入研究超新星的前世今生，逐渐揭开了它的爆炸之谜。 在宇宙中闪闪发光的恒星其实是一团炽热的气体，其主要成分是氢，氢是宇宙中最简单化学元素。太空中冷而浓密的气体尘埃云在自身的重力作用下发生坍塌、收缩，聚集成团，恒星就诞生了。坍塌使恒星中心的气体被压紧，恒星内部越来越热，直到温度高到可以发生核聚变(即由简单的氢原子核聚变成为稍复杂一点的氦原子核)，核聚变释放热能并产生向外的推力，以阻止恒星的进一步坍塌。当内外的压力达到平衡，恒星便进入相对稳定的青年时代，基本上平稳地消耗着它的核燃料。 有生就有死。经过漫长的演化，每颗恒星最终都将会走向死亡，熊熊烈火就将会变为余烬，并完全熄灭。恒星以什么方式结束自己的生命，是由其本身质量决定的。小质量的恒星会在黑暗的太空中默默地死去，而一颗恒星质量越大，它的引力坍缩趋势就越强，为了平衡引力所需要的内部核反应也越强烈，其最后死亡的方式也就越剧烈。 所有质量比太阳小的恒星自诞生以来都不怎么演化，它们将慢慢冷却并走向死亡。质量在1～8个太阳质量之间的恒星，最后会演化成白矮星。白矮星相当于地球大小，即几千千米直径，但其质量却有太阳的1～1.4倍。白矮星经过数十亿年的冷却，最后作为一颗黑矮星而永存。 一颗质量大于太阳8倍的恒星，当其核心区所有的氢经过热核反应都变成了氦时，这颗恒星的平静日子就到了尽头，大动荡的时期来到了。它首先变成了红超巨星，其外层仍有氢在热核反应，但核心区则由氦开始进行热核反应，将氦聚变成碳。氦的热核反应开始后，红超巨星可能再度收缩、升温，变成一颗蓝超巨星或白超巨星。核心区的氦被用完后，核心周围壳层中的氦继续进行热核反应，核心区则由碳接替氦开始进行热核反应并产生氧。恒星此时再一次变红。很快，氧又进行热核反应产生硅和硫，最后，硅和硫进行热核反应产生铁和其他更重的元素。此时的恒星很像一克洋葱：氢在最外层进行热核反应，氦在较深一层进行热核反应，碳在更进行热核反应，氧又在更更深一层进行热核反应，最后是硅和硫在恒星中心区进行热核反应，而这时，最核心处则是无法进行热核反应的铁。 但除了氢和氦以外，其他元素进行的热核反应无一不是昙花一现，因为它们产生的能量都不如氢和氦那样多。最终，这颗恒星用光了它所有的能量，再也没有任何能够进行热核反应的元素来维系与引力的平衡了，于是，恒星外围物质以不可思议的高速向其核心处坍缩。铁核就会被压得更紧密，以至于电子挤压到原子核中，与质子结合在一起变成为中子，铁核就只剩下一个高度致密的中子物质球，当外围物质撞到这个中子球上时，就像撞上了一堵无比坚硬的墙，被强烈地反弹回来，形成了巨大的冲击波。冲击波由恒星中心向外传播，很快到达恒星表面。它带着极其巨大的能量，毫不含糊地把恒星整个外部区域轰得粉碎！ 这就是令整个宇宙为之变色的超新星爆炸！一颗恒星此时在几天内所倾泻的能量是它过去几亿年辐射的能量的总和，它所产生的亮度与上千亿颗恒星加起来的整个星系的亮度一样。
爆炸的幕后之手：神秘中微子 紧随冲击波而来的是强烈的中微子洪流。一颗超新星爆发时，几秒钟内就能喷出1058个中微子。中微子(即微小的中性粒子)是泡利于1931年预言而在1956年才被后人实际探测到的一种基本粒子，通常情况下，中微子几乎不与其他物质发生相互作用，因而能够飞行很长的距离而不被阻挡或改变路径。它具有不可思议的极强的穿透能力，能够自由地穿过墙壁、山脉、甚至地球与其他行星。物理学家估计，中微子能够自由穿透厚度比地球到太阳的距离还厚出几十亿倍的铁板。如果有一个数光年厚的铅做成的壁垒的话，中微子也能从容穿过。 同时，中微子在宇宙中的身份也极为神秘。有科学家认为它就是我们苦苦追寻的暗物质，它可能对我们宇宙的最终命运具有决定性的影响。虽然单个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中它的数量极其巨大，比其它所有粒子都要多出数十亿倍，它有无质量关系到宇宙将如何演变。科学家目前有两种设想：一种情况是宇宙将像现在这样永远膨胀下去，另一种情况是它膨胀到一定程度后在自身引力作用下发生收缩，哪一种情况会发生取决于宇宙的总质量。如果总质量小于某个临界值，宇宙自身的引力就不足够大，前者将会发生；反之后者将会发生。如果中微子具有静止质量，其总质量会非常惊人，影响到宇宙总质量与临界质量的对比关系，即决定宇宙是膨胀还是收缩。 中微子将超新星爆发时能量的99%席卷而去，恒星气体的亮度和高速膨胀的能量，只占超新星爆发能量的1%。这股浩浩荡荡的洪流所携带的巨大能量再次推动着冲击波往外层传播，并最终将恒星外层吹散。天体物理学家计算出，如果没有中微子的额外推动，冲击波将会很快止息，超新星爆炸的威力远没有实际发生的那样猛烈。正是因为有了中微子的推动，爆炸的冲击波才使恒星突然变亮，成为灿烂的超新星。大量中微子对超新星爆发所产生的作用，是科学家们以前没有估计到的。 1987年2月24日，在距我们的银河系15万光年的大麦哲伦云中，一颗引人瞩目的超新星出现了。日本神冈的一台巨型探测器在那期间捕捉到了19个由超新星爆发时释放的中微子；同一时刻，美国设在阿尔班、密执安、布鲁克黑文的观测设施也捕捉到几个中微子，但观测精度不及神冈。天文学家第一次检测到来自超新星的中微子。中微子作为超新星爆炸的直接证据，首次被确定。 这颗意义重大的超新星被命名为1987A，科学家经过计算指出，这颗超新星的前身诞生于1100万年前，其质量相当于太阳的15倍，星核的表面温度约300亿摄氏度，中微子的动能在25电子伏特以下。由于质量巨大，这颗恒星仅仅用短短的1000多万年就走完了一生的历程，以超新星爆炸的方式结束了自己的一生。 自由穿行于宇宙空间、星系、行星的中微子流，能够传递超新星与宇宙深处未知情况的独特信息，将来的发现可能会帮助我们揭开宇宙形成以及宇宙最终命运的奥秘。 极度危险的辐射 在产生中微子流的同时，超新星爆炸的冲击波把粒子加速到很高的能量，形成大量的宇宙射线和其它高能辐射。公元1054年，有一次非常著名的超新星爆炸事件，当时北宋王朝的天文学家做了详细的记载。据史书称：在开始的23天中这颗超新星非常之亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到1056年3月，才不能为肉眼看见，前后历时22个月。这次爆发的残骸就形成了著名的金牛座中的星云，叫做蟹状星云，在蟹状星云的中心，还藏有一颗神秘的中子星(关于中子星，后文将有介绍)。将近1000年过去了，蟹状星云至今仍在闪现着凶光，释放着高能辐射。 如果一颗超新星在离地球足够近的距离内爆炸，其释放的大量放射线将会撕开人类赖以生存的保护伞——臭氧层。物理学家计算出，在距地球25光年范围内的一次超新星爆发所释放出的伽马射线和宇宙射线，足以在数十年里破坏掉大量的臭氧层，使地球表面完全暴露在对人体有害的紫外线下。 幸运的是，这样巨大的恒星在太阳系附近很少，所以很难遇到超新星爆炸，平均每7亿年才会出现一次。按照有些研究人员对银河系中恒星运动的分析结果来看，它们对地球历史上的生物大灭绝也并未作出太大的“贡献”，在现在发现的那些可能爆炸的离我们最近的超新星里面，它们的辐射都非常微弱。由于宇宙的膨胀作用，科学家们观测到，实际上那些可能变成超新星的恒星也在不停地离我们远去。等到那些超新星爆炸的时候，它们很可能已经离我们太远了，而在漫长的时间长河里，我们的地球能不能存在那么久都是一个问题。 不过，也有一些研究人员认为，最近的超新星爆炸——多半发生在几百万年内——曾对地球的生态系统造成了破坏。他们相信，在短暂的地球历史上，遥远的超新星爆发带来的低剂量放射线很有可能触发过成千上万次的基因突变，其中在200万年前的那次超新星爆发有可能改变了我们人类的进化历程。 爆炸者的遗骸：中子星或者黑洞 超新星爆炸后留下的遗骸就是致密的中子星或者更为致密的黑洞，它们是宇宙中密度最高和引力最大的两类颇具神秘感的天体。 超新星爆炸后留下的遗骸如果在太阳质量的1.4倍—3倍之间，它就变成一颗中子星。中子星是一颗几乎完全由中子构成的恒星，它的密度极高(外层：每立方厘米10的11次方～10的14次克，核心：每立方厘米10的16次方克)，也就是说，在中子星的任何地方，其每立方厘米的质量竟为1亿吨以上，相当于在一只戒指里有一亿吨的质量！事实上，中子星的质量是如此之大，半径10公里的中子星的质量就比太阳的质量大了。巨大的质量使中子星的引力如此之强，以至于原子都要被压碎：电子被压缩到原子核中，同质子结合为中子，使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核，中子星的密度就是原子核的密度。 强大的引力使中子星表面上的所有不规则性都被消除，中子星上最高的山峰只有几厘米高。中子星的表面温度约为110万度，辐射χ射线、γ射线和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波(射电波)。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会像一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。 而到了中子星的核心区域，在极高密度下，当原子核彼此重迭得相当紧密时，其物质的状态和性质如何，科学家们目前还一无所知。 中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科的研究展开了崭新的视野。 超新星爆炸后留下的遗骸如果在太阳质量的3倍以上，它就变成了一个极其恐怖的黑洞。中子星就已经够不可思议了，偏偏还要添上黑洞。黑洞的密度比中子星更大，至高的密度使它变成宇宙中的死亡陷阱和无底深渊，没有任何物质(包括光线)能摆脱它的强大引力而逃逸，所有的物质就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。黑洞中心的奇点更加恐怖，它可以摧毁掉所有的物质和时空结构，在它附近，今天的所有物理定律都显得不适用了。 天文学家称这种由于恒星死亡形成的天体为恒星级黑洞。一般认为，宇宙中的大多数黑洞是由超新星爆炸后坍缩形成的。此外，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞，比如在类星体星系的中心。在宇宙诞生初期可能曾经形成过很多微型黑洞(太初黑洞)，这些黑洞的体积很小，质量相当于一座大山，至今还有很多留在我们的宇宙中。 由于任何物质或辐射到达黑洞边缘，越过它的视界就永远消失了，因此，到目前为止，还没有任何科学方法能用来测量黑洞，现在我们说找到了一个黑洞都是通过间接途径推算出来的。当一个黑洞吸引尘埃、气体或恒星时，它的强大引力会把这些物质撕碎成原子微粒，原子微粒会从黑洞的边缘沿螺旋线坠向中心，速度会越来越快，直至达到每秒900多公里。当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，迸发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度，也只有黑洞现象才会造成这样的χ射线和γ射线。科学家正是观察宇宙中χ射线源和γ射线源来观察黑洞的。 有关黑洞奇异性质的研究是现代宇宙学最前沿的课题之一，黑洞将有可能揭开我们宇宙的开端和结束的深层秘密。 创造美丽新世界 50亿年前，一颗超新星爆炸，引起银河系中一块星云的坍缩，而这场坍缩造就了另一个恒星——太阳。太阳在脱离了孕育它的星团后，成为一颗独立的恒星。太阳迸射出光和能，并慷慨地把它的热能施舍给围绕它的九个行星，这九大行星中有一颗蓝色行星，就是我们的地球。 超新星爆炸是天体演化的重要环节。它不仅为宇宙创造了像中子星和黑洞那样神秘的天体，同时又是新生恒星的推动者——它在爆炸过程中的剧烈震荡可能会引发附近星云中无数颗新一代恒星的诞生。另一方面，超新星爆炸不仅重塑了宇宙的结构，还加工和运输了生命所必需的众多重元素，比如说，今天我们地球上的许多物质元素就来自那些早已消失的恒星。可以说，超新星爆炸是参与塑造宇宙的重要角色之一。 我们的宇宙已经经历了好几代恒星的成长了，第一代恒星诞生于宇宙大爆炸后的数亿年，它是宇宙从黑暗时代到现在已知的宇宙的转折点。但早期宇宙的原始物质中仅含有最简单的氢、氦和为数不多的锂等轻元素，没有碳、没有氧、也没有铁，所有的重元素都还是空白。而没有重元素的参与，生命的诞生无疑是无稽之谈。那时的化学反应也非常单调，那些最早的恒星周围肯定也不会有行星。 但就从最简单的化学反应开始，恒星内部的高温不断加工简单的氢元素，使之变为较复杂的氦元素，再变成碳、氧、硅、硫、铁等更复杂的重元素。正是有了这些重元素，宇宙中的物质才不断丰富起来，化学反应也随之更加复杂。在恒星把氢加工成氦再加工成碳、氧等重元素时，其整个过程极为精细，每一步都恰到好处。如果稍有偏差，氢通往氦的路程将会被堵死，所有氢以后的元素都不会产生，宇宙中的物质将会极为贫乏。 但是，恒星制造出来的元素如何才能逃离恒星？这就有赖超新星爆炸的帮忙。科学家们认为，在宇宙大爆炸后的仅2亿多年间，一些超级巨星如雨后春笋般地频频诞生，每个超级巨星的质量都是太阳质量的数十倍乃至上百倍。这些超级巨星通过燃烧星核内的核燃料迅速进化、发展，在仅仅约300万年的时间里就通过超级大爆炸结束了它们作为超新星的生命历程。 宇宙生命形成所必需的重元素就蕴藏在这些超新星的星核内，此后这些超新星所进行的无数次的连环爆炸将其体内蕴含的大量化学元素散布在方圆成千上万光年的星际空间。此外，爆炸所产生的冲击波还促使了新星体的产生，而正是这些新星体在稍晚时候变成了生命起源所必需的化学元素的新载体。 而且，超新星在爆炸的同时，还在继续着第一代恒星未竟的事业。由于能量不足，恒星内部制造元素的能力在炼到铁时就终止了，然而，超新星的能量仍绰绰有余，它还会加工比铁更重的元素，世界宝藏中的黄金、添加到食盐中的碘和用于原子弹中的铀，都是在超新星的猛烈爆炸中冶炼出来的。 太阳系中的碳、氧、硅、硫等元素都来源于第一代恒星，这些恒星在濒临死亡时，通过超新星爆炸将自己的碎片抛入太空，形成尘埃云。50亿年前，太阳系就在这个尘埃云中形成，其中的碳、氧等元素使太阳系充满了活力，而在太阳系内一颗蓝色行星——地球上，这些重元素成功地孕育了生命。在宇宙创造美丽新世界的历程中，超新星功不可没。（《大科技-科学之谜》杂志2003年第11期
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