在電影《流浪地球》中，太陽(yáng)即將要變成一顆紅巨星，將地球淹沒(méi)。你知道嗎？這確實(shí)是太陽(yáng)晚年所要經(jīng)歷的階段。那么，當(dāng)太陽(yáng)即將結(jié)束漫長(zhǎng)的一生時(shí)，還會(huì)發(fā)生些什么呢？大家好，我是韓文標(biāo)，今天跟大家聊聊恒星的死亡，以及科學(xué)家們?cè)鯓佑^測(cè)它。

離我們最近的恒星，太陽(yáng)，已經(jīng)誕生46億年了。而它的壽命大約是110億年，如今可謂是正直壯年。而在50多億年年之后，太陽(yáng)將會(huì)耗盡它核心氫燃料，變成紅巨星，其核心還可能發(fā)生《流浪地球》中描寫(xiě)的氦閃。垂死的太陽(yáng)體積不斷變大，可以一直膨脹到地球軌道。再過(guò)數(shù)億年甚至更久，外殼會(huì)被驅(qū)散，變成美麗的行星狀星云，而核心則留下一顆致密的白矮星。

說(shuō)完太陽(yáng)，大家一定也很想知道宇宙中其他恒星的死亡是什么情況。一般來(lái)說(shuō)，恒星的死亡指的就是恒星不再穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱，結(jié)束了主序階段，也就是，氫核聚變的階段。恒星在其一生中的大部分時(shí)間都處于主序階段，而一旦氫燃料消耗殆盡，人們會(huì)說(shuō)這顆恒星開(kāi)始走向生命盡頭。不過(guò)，其實(shí)死亡這個(gè)字眼并不是特別準(zhǔn)確，我更喜歡用蛻變來(lái)形容這個(gè)過(guò)程。因?yàn)楹阈墙Y(jié)束主序階段，其實(shí)是進(jìn)入了新的生命周期。那所有恒星死亡時(shí)，都會(huì)像太陽(yáng)一樣先變成一顆紅巨星，然后再變成白矮星嗎？

其實(shí)不然。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，恒星死亡時(shí)會(huì)發(fā)生什么，取決于恒星的質(zhì)量。如果是質(zhì)量只有0.08-0.5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的紅矮星的話(huà)，它們的壽命可長(zhǎng)達(dá)是千億年，比我們宇宙目前的年齡還長(zhǎng)，因此我們還沒(méi)有觀測(cè)到這類(lèi)恒星的死亡。比紅矮星質(zhì)量大，但小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，包括太陽(yáng)，它們的結(jié)局就是前面所說(shuō)的，先變成巨大的紅巨星，然后外層散盡后，中心會(huì)留下一顆致密的白矮星。

而大家更感興趣的，可能是更大質(zhì)量恒星的死亡過(guò)程，因?yàn)闀?huì)伴隨著極其猛烈的爆炸—超新星爆發(fā)。爆發(fā)產(chǎn)生的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可能持續(xù)幾周至幾個(gè)月甚至幾年才會(huì)逐漸衰減。而在此期間，一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽(yáng)在其一生中輻射能量的總和相當(dāng)。因此早在公元185年的東漢年間，中國(guó)古人就觀察并記錄了在夜空中照耀了八個(gè)月的超新星爆發(fā)。

恒星通過(guò)爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以接近十分之一光速的速度向外拋散，并向周?chē)男请H物質(zhì)輻射激波。這種激波會(huì)導(dǎo)致一個(gè)由膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)形成，這被稱(chēng)作超新星遺跡。同時(shí)，核心可能會(huì)形成中子星或者黑洞，繼續(xù)存在。那么為什么大質(zhì)量恒星死亡時(shí)會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)呢？

這是因?yàn)楦蟮馁|(zhì)量導(dǎo)致核心更高的溫度和壓力，進(jìn)而導(dǎo)致失控。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星氫燃燒結(jié)束后，中心核變成氦核。氦核在引力作用下收縮、溫度升高，達(dá)到1-2億度時(shí)氦燃燒生成碳、氧、氖并釋放能量，燃燒結(jié)束后中心核主要是碳、氧。碳氧核收縮溫度升高至5億到10億度時(shí)，發(fā)生碳燃燒，生成氧、氖、鎂，釋放能量，結(jié)束后中心核是氧氖鎂核。核心進(jìn)一步收縮，溫度繼續(xù)升高至12億度時(shí)，發(fā)生氧燃燒；當(dāng)溫度達(dá)到2、30億度時(shí)會(huì)發(fā)生硅燃燒，產(chǎn)物是鐵并釋放能量。當(dāng)鐵核收縮，溫度飆至50億度時(shí)，鐵核會(huì)和伽馬光子反應(yīng)，但是此反應(yīng)不釋放能量反而需要吸收能量。這個(gè)能量要靠捕獲大量電子才能提供，進(jìn)而導(dǎo)致電子壓急劇降低，鐵核猛烈塌縮釋放巨大能量，將恒星外層爆炸開(kāi)來(lái)，這就是璀璨的超新星爆發(fā)。正如我前面所說(shuō)，這一爆發(fā)并不真正意味著死亡，因?yàn)楸ê蠛芸赡軙?huì)留下中子星或者黑洞。重要的是，超新星爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量的重元素，并播種到宇宙中去，成為宇宙豐富多彩包括我們生命不可或缺的成分。正所謂一星爆，萬(wàn)物生。

現(xiàn)在的天文學(xué)家，使用先進(jìn)的天文設(shè)備，如高海拔宇宙觀測(cè)站拉索、引力波探測(cè)器等來(lái)觀測(cè)超新星爆發(fā)，試圖理解這一宇宙級(jí)的燦爛煙花。2023年12月，清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，根據(jù)預(yù)警信號(hào)，立刻利用全世界的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)23年5月19日爆發(fā)的一顆距離地球5000萬(wàn)光年的超新星爆發(fā)開(kāi)展了非常詳細(xì)的觀測(cè)和研究，獲取了爆炸發(fā)生前后的光變和光譜等信息。特別有意思的是，他們首次發(fā)現(xiàn)了激波從紅變藍(lán)的過(guò)程，揭示了之前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的超新星爆炸的激波過(guò)程。這一研究不僅僅使用了專(zhuān)業(yè)的天文觀測(cè)設(shè)備，也使用了天文愛(ài)好者的業(yè)余觀測(cè)結(jié)果，因此在這篇Nature論文的作者中就有好幾位天文愛(ài)好者。說(shuō)明天文學(xué)研究是一門(mén)大眾可以廣泛參與的科學(xué)。科學(xué)家們與天文愛(ài)好者們一同努力，結(jié)合電磁波、中微子、高能宇宙射線(xiàn)和引力波的多信使天文觀測(cè)，將會(huì)為我們揭示這一宇宙奇觀背后更多的秘密。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

審核：茍利軍 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來(lái)源: 星空計(jì)劃

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