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宇宙深处的漫天群星中，有一颗不起眼的星星突然变得明亮无比，放出的光芒在刹那间变强了千万倍，甚至可以照亮它所在的整个星系。它生命最后时刻的爆发，产生出能够毁灭一切生命的强辐射，疯狂地扫过宇宙一角……
图 超新星爆发想象图 图源| Science News
这就是超新星爆发，宇宙中最壮丽的奇景之一。
然而，这场生命尽头的爆发并非终结，一场孕育新生的旅程即将开始，而具体的过程，就让我们慢慢走进超新星，从了解与它相关的物理过程开始吧。
1 夜空中最亮的星
早在公元185年，就有一颗超新星照亮了地球的夜空，引起了人们的注意并被记录了下来——这就是SN 185。它记载于《后汉书》，但是由于年代太过久远，关于它的描述并不多。
另一个超新星SN 1006则更有知名度——它在宋朝和中世纪欧洲的天空中闪耀了24个月，最亮的时候甚至比月亮还亮，给世界各地无数的观星者们提供了众多或大凶或大吉的猜想。
图 SN 1006爆发时的模拟图 图源|Tunc Tezel
当人类进入天文望远镜时代，观测超新星就变得简单起来，人们不再需要用肉眼来观察这种在整个银河系都是五十年一遇的奇观。而人们对超新星的认识也随着科技的发展逐渐深入，也理解了超新星的成因：原来，这种亮度非凡但无法长久的星星，大多是生命即将结束的大质量恒星1。
我们知道，恒星这么巨大的天体，内部因为引力形成的压力是非常大的。根据热力学原理，压强增加会导致温度也增加。因此，恒星最热的核心就点燃了核反应，释放能量对抗自身的引力塌缩。
然而，经年累月的燃烧产生了很多暂时不能燃烧的核，这些核因为比较重，都堆积在恒星的核心，影响了燃烧的速率。燃烧减缓就会导致恒星进一步被压缩，核心温度持续上升，最终就会将核心中更重的核的聚变反应点燃。
当质量非常大的恒星（一般大于8倍的太阳质量）的核心被点燃时，生成的产物又会堆积形成新的核心，然后核心又被点燃，如此重复数次，直到再也没有可用的核反应来提供能量，一场大崩溃就开始了：恒星核心在自身巨大的重力下压缩，却没有能与之对抗的能量，很快物质就被压实，原子的电子之间开始依靠电磁斥力来对抗引力。但是，这种对抗在大质量恒星中是徒劳的，在巨大的压力下，电子也被压进了原子核，整个核心变成了完全由中子组成的球。
一般来说，这场坍缩就到此结束了。但是如果这颗恒星质量实在太大（一般大于14倍的太阳质量），那么就连中子之间的排斥力都无法对抗引力的压缩。随着最后一道防线的失守，整个核心全都坠入中心点，形成了一个光都无法逃逸的黑洞。在这个核心坍缩的过程中，短时间内会释放巨大的能量，以至于可以形成一场剧烈的爆炸，将恒星外壳的物质直接完全炸飞，发出的光芒甚至和它一生发的光的总量相当。
图 SN 1987A爆发前（右）与爆发后（左）的对比图。图源| NASA
至此，一场华丽的超新星爆发就落下了帷幕，内核形成的中子星或黑洞在余烬中慢慢地冷却，而被炸飞的外壳则会形成蓬松的星云，等待下一次汇聚。
2 死亡，还是新生？
超新星爆发，并不仅是生命的结束，也是生命的开启。这场壮丽绚烂的爆发，堪称是一部创造世界的宇宙史诗。
需要解释一下，这里的世界指的是宇宙中丰富多彩的恒星—行星系，包括可能存在于行星上的各种各样的生命文明。
我们先从核合成这个概念说起。我们这个多彩的世界是由元素组成的，而元素之间最根本的差别就在于原子核不同。根据目前广为接受的大爆炸理论，宇宙起源于一场大爆炸，而大爆炸的产物只有寥寥几种轻原子核，比如氢、氦以及少量的锂等。然而，目前地球上天然存在着从氢到铀的众多种类的元素，这些元素又是怎么来的呢？
超新星，就是大多数较重的元素的来源。
之前提到的超新星在爆发之前会不断形成核心又不断被点燃，这其实就是一个核合成的过程。轻核素燃烧合成比较重的元素，持续进行直到铁为止——因为铁原子核的聚变反应不再释放能量而要吸收能量了，所以常规的核合成就结束了。
但是，超新星的表演才刚刚开始。在大坍缩的过程中，充足的能量和丰富的中子会引发r过程（快速中子俘获过程）。原子核不断俘获中子增加质量，使铁以上的元素的合成成为可能。在这场快速核合成的风暴中，一般情况下因为合成速率低于衰变速率而难以突破的地方会被突破，随后大量重元素（包括我们熟知的银、金等重金属）就被合成了。这些重元素随着超新星爆发被喷射出去，飘散在星云里，提供了形成我们多彩世界的物质基础。
图 超新星爆发前恒星内部多个核心的示意图 图源| University of Oregon
核合成提供了基础，可是超新星的影响还远未结束。爆发产生的星云会孕育下一颗恒星，就像盘古开天地的传说一样。星云中重的元素汇聚在一起形成一个个核心，有的核心越聚越大，最终重新点燃了核反应形成新的恒星；小的核心围着恒星旋转就形成了行星，星星们就这样组合在一起形成了星系，就像我们熟知的太阳系一样。同时，超新星爆发喷射出的高能粒子，还会为它所到达的平静的星云带来波澜和扰动，加速星云汇聚的速度。有研究认为，我们的太阳系就是以超新星爆发的波及为契机而形成的。
由此看来，超新星不仅提供了世界形成的物质基础（元素），还提供了温床（星云），甚至连起床服务（扰动）都提供了，这简直就是完美的一条龙服务啊！
图 超新星爆发形成的蟹状星云——这是星系的新生 图源|NASA
正如物理学家劳伦斯·克劳斯所言：
“你身体里的每一个原子都来自一颗超新星，你左手的原子与右手的原子也许来自不同的恒星。这实在是我所知道的物理学中最富诗意的东西：你的一切都是星尘......”
我们身体中的大部分元素都来自超新星爆发的星云，除了氢以外的碳氧元素和微量元素，绝大多数都是由超新星合成并释放的。其实，不光是我们，我们身边的万物几乎都来自星辰，都来自亿万年前的一次次壮丽的超新星爆发。
超新星，这种短暂而闪耀的宇宙奇观，可以说是一部当之无愧的创造了这丰富多彩世界的宇宙史诗！
致谢：感谢中科院近代物理所胡钧老师审阅全稿，并提出宝贵意见。
本文为近代物理所首届“科学与艺术”科普作品创作大赛获奖作品，得到了“全国中小学生研学实践教育基地”项目的支持（近代物理所于2018年入选全国中小学生研学实践教育基地）。
作者 | 田宁
编辑 | 刘芳
注释：
1. 本文介绍的主要是核心坍缩型超新星，它是由一颗大质量单星由于核心坍缩形成的超新星爆发现象。也有一种超新星是由密近双星吸积系统形成的（Ia型超新星），即白矮星从伴星吸积足够的物质，使其星核温度上升至碳燃烧的条件，最终发生迅猛核聚变从而完全爆发瓦解。
参考文献：
[1] C. E.Rolfs, W. S. Rodney. Cauldrons in the Cosmos ( Univ of Chicago Pr, 1988).
[2] C. Iliadis, Nuclear Physics of Stars ( Wiley, Weinheim, 2007)
