想象一下：
在宇宙深處的漫天群星中，有一顆不起眼的星星突然變得明亮無比，放出的光芒在剎那間變強了千萬倍，甚至可以照亮它所在的整個星系。它生命最後時刻的爆發，產生出能夠毀滅一切生命的強輻射，瘋狂地掃過宇宙一角……
圖 超新星爆發想象圖 圖源| Science News
這就是超新星爆發，宇宙中最壯麗的奇景之一。
然而，這場生命盡頭的爆發並非終結，一場孕育新生的旅程即將開始，而具體的過程，就讓我們慢慢走進超新星，從瞭解與它相關的物理過程開始吧。
1
夜空中最亮的星
早在公元185年，就有一顆超新星照亮了地球的夜空，引起了人們的注意並被記錄了下來——這就是SN 185。它記載於《後漢書》，但是由於年代太過久遠，關於它的描述並不多。
另一個超新星SN 1006則更有知名度——它在宋朝和中世紀歐洲的天空中閃耀了24個月，最亮的時候甚至比月亮還亮，給世界各地無數的觀星者們提供了眾多或大凶或大吉的猜想。
圖 SN 1006爆發時的模擬圖 圖源|Tunc Tezel
當人類進入天文望遠鏡時代，觀測超新星就變得簡單起來，人們不再需要用肉眼來觀察這種在整個銀河系都是五十年一遇的奇觀。而人們對超新星的認識也隨著科技的發展逐漸深入，也理解了超新星的成因：原來，這種亮度非凡但無法長久的星星，大多是生命即將結束的大質量恆星1。
我們知道，恆星這麼巨大的天體，內部因為引力形成的壓力是非常大的。根據熱力學原理，壓強增加會導致溫度也增加。因此，恆星最熱的核心就點燃了核反應，釋放能量對抗自身的引力塌縮。
然而，經年累月的燃燒產生了很多暫時不能燃燒的核，這些核因為比較重，都堆積在恆星的核心，影響了燃燒的速率。燃燒減緩就會導致恆星進一步被壓縮，核心溫度持續上升，最終就會將核心中更重的核的聚變反應點燃。
當質量非常大的恆星（一般大於8倍的太陽質量）的核心被點燃時，生成的產物又會堆積形成新的核心，然後核心又被點燃，如此重複數次，直到再也沒有可用的核反應來提供能量，一場大崩潰就開始了：恆星核心在自身巨大的重力下壓縮，卻沒有能與之對抗的能量，很快物質就被壓實，原子的電子之間開始依靠電磁斥力來對抗引力。但是，這種對抗在大質量恆星中是徒勞的，在巨大的壓力下，電子也被壓進了原子核，整個核心變成了完全由中子組成的球。
一般來說，這場坍縮就到此結束了。但是如果這顆恆星質量實在太大（一般大於14倍的太陽質量），那麼就連中子之間的排斥力都無法對抗引力的壓縮。隨著最後一道防線的失守，整個核心全都墜入中心點，形成了一個光都無法逃逸的黑洞。在這個核心坍縮的過程中，短時間內會釋放巨大的能量，以至於可以形成一場劇烈的爆炸，將恆星外殼的物質直接完全炸飛，發出的光芒甚至和它一生髮的光的總量相當。
圖 SN 1987A爆發前（右）與爆發後（左）的對比圖。圖源| NASA
至此，一場華麗的超新星爆發就落下了帷幕，核心形成的中子星或黑洞在餘燼中慢慢地冷卻，而被炸飛的外殼則會形成蓬鬆的星雲，等待下一次匯聚。
2
死亡，還是新生？
超新星爆發，並不僅是生命的結束，也是生命的開啟。這場壯麗絢爛的爆發，堪稱是一部創造世界的宇宙史詩。
需要解釋一下，這裡的世界指的是宇宙中豐富多彩的恆星—行星系，包括可能存在於行星上的各種各樣的生命文明。
我們先從核合成這個概念說起。我們這個多彩的世界是由元素組成的，而元素之間最根本的差別就在於原子核不同。根據目前廣為接受的大爆炸理論，宇宙起源於一場大爆炸，而大爆炸的產物只有寥寥幾種輕原子核，比如氫、氦以及少量的鋰等。然而，目前地球上天然存在著從氫到鈾的眾多種類的元素，這些元素又是怎麼來的呢？
超新星，就是大多數較重的元素的來源。
之前提到的超新星在爆發之前會不斷形成核心又不斷被點燃，這其實就是一個核合成的過程。輕核素燃燒合成比較重的元素，持續進行直到鐵為止——因為鐵原子核的聚變反應不再釋放能量而要吸收能量了，所以常規的核合成就結束了。
但是，超新星的表演才剛剛開始。在大坍縮的過程中，充足的能量和豐富的中子會引發r過程（快速中子俘獲過程）。原子核不斷俘獲中子增加質量，使鐵以上的元素的合成成為可能。在這場快速核合成的風暴中，一般情況下因為合成速率低於衰變速率而難以突破的地方會被突破，隨後大量重元素（包括我們熟知的銀、金等重金屬）就被合成了。這些重元素隨著超新星爆發被噴射出去，飄散在星雲裡，提供了形成我們多彩世界的物質基礎。
圖 超新星爆發前恆星內部多個核心的示意圖 圖源| University of Oregon
核合成提供了基礎，可是超新星的影響還遠未結束。爆發產生的星雲會孕育下一顆恆星，就像盤古開天地的傳說一樣。星雲中重的元素匯聚在一起形成一個個核心，有的核心越聚越大，最終重新點燃了核反應形成新的恆星；小的核心圍著恆星旋轉就形成了行星，星星們就這樣組合在一起形成了星系，就像我們熟知的太陽系一樣。同時，超新星爆發噴射出的高能粒子，還會為它所到達的平靜的星雲帶來波瀾和擾動，加速星雲匯聚的速度。有研究認為，我們的太陽系就是以超新星爆發的波及為契機而形成的。
由此看來，超新星不僅提供了世界形成的物質基礎（元素），還提供了溫床（星雲），甚至連起床服務（擾動）都提供了，這簡直就是完美的一條龍服務啊！
圖 超新星爆發形成的蟹狀星雲——這是星系的新生 圖源|NASA
正如物理學家勞倫斯·克勞斯所言：
“
你身體裡的每一個原子都來自一顆超新星，你左手的原子與右手的原子也許來自不同的恆星。這實在是我所知道的物理學中最富詩意的東西：你的一切都是星塵......
”
我們身體中的大部分元素都來自超新星爆發的星雲，除了氫以外的碳氧元素和微量元素，絕大多數都是由超新星合成並釋放的。其實，不光是我們，我們身邊的萬物幾乎都來自星辰，都來自億萬年前的一次次壯麗的超新星爆發。
超新星，這種短暫而閃耀的宇宙奇觀，可以說是一部當之無愧的創造了這豐富多彩世界的宇宙史詩！
致謝：感謝中科院近代物理所胡鈞老師審閱全稿，並提出寶貴意見。
本文為近代物理所首屆“科學與藝術”科普作品創作大賽獲獎作品，得到了“全國中小學生研學實踐教育基地”專案的支援（近代物理所於2018年入選全國中小學生研學實踐教育基地）。
作者 | 田寧
編輯 | 劉芳
註釋：
1. 本文介紹的主要是核心坍縮型超新星，它是由一顆大質量單星由於核心坍縮形成的超新星爆發現象。也有一種超新星是由密近雙星吸積系統形成的（Ia型超新星），即白矮星從伴星吸積足夠的物質，使其星核溫度上升至碳燃燒的條件，最終發生迅猛核聚變從而完全爆發瓦解。
參考文獻：
[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)
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來源：中科院近代物理所
編輯：孫杰群
