SN明朝时代专题之一颗太阳爆炸是末日还是重生？

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一、为什么寄宿公司爆炸会成为大新闻？

最近几个月，猎户座星(参宿四)持续变暗的信息通过网络传来。

一些大胆的猜测认为参宿四已经发生了爆炸，有些学者认为，目前我们所观测到的持续变暗是超新星爆发前塌缩所致，因为任何超新星爆发前，都会发生坍缩。

上图由布莱恩·奥特姆（Brian Ottum）提供，图左摄于2016年2月，图右摄于2019年12月31日。注意两者背景星光的亮度是一致的，但参宿四却明显变暗了。（两张图对比了几年前的参宿四与现在的参宿四）

一周前，1月6日，AAVSO发布了一条紧急通知（通知内容见文末），因参宿四亮度邻近极小值，通知要求全球观测者对这颗迟暮的恒星（红巨星）进行多波段跟踪观测。这或许会成为最近几百年来，人们所观察到的距离地球最近的超新星爆发事件。我们知道参宿四已经走向了其生命周期的最末端，但是参宿四超新星爆发是否会影响到我们耐以生存的地球，目前科学界存在两种说法，一种是参宿四自转轴和地球夹角只有20度，影响微乎其微（理论模型上）。另一种就是距离足够近，600光年距离，足以造成地球生物大灭绝。当然，一些反对者认为600光年距离已经够远，即便没有自转轴的问题，其爆发对地球的影响也微乎其微。事关人类生死存亡，大新闻也就诞生了。

二、什么是超新星爆炸

超新星爆发是宇宙中大质量恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸极其明亮，过程中所释放的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并持续几周甚至数月才会逐渐衰减变为不可见。这段时期中，一颗超新星所释放的能量可以与太阳在其一生中释放的能量总和相当甚至超过其总量。

参宿四超新星爆发模拟图：下方的是太阳，上方更大的发光物体为参宿四

三、最早关于星星“爆炸”的记载

迄今为止，在我们生存的银河系内，有记录的超新星爆发事件只有8次。提到超新星，中国人可能并不陌生。因为中国是最早记载并记录超新星的国家。商周时期的周，就有了超新星爆发的相关记载。而最早的有明确历史记载并记录的超新星爆发事件，就是由中国人发现并记录的。其中最著名的超新星爆发事件发生于公元1054年7月4日，宋朝天监官发现的金牛座超新星爆发。今天的科学家就是通过关于超新星的记载发现了超新星爆炸后产生的蟹状星云，并从中找到了恒星演化的缺失环节。而最近一次中国人记载的超新星爆发记录，则发生在1604年的中国明朝后期。由于望远镜直到1609年才出现，这也是一次肉眼可见和肉眼观测记载的发生在银河系内的超新星爆发，1604年10月，欧洲天文学家开普勒耗时两年时间研究这颗位于蛇夫座的超新星，直到1606年该超新星消失不见。

四、现代科学对超新星爆炸的研究

对于超新星的研究，天文学家和物理学家从未止步。超新星爆发的过程预示恒星生命的结束，同时也宣告两种神秘天体的诞生，中子星和黑洞。而超新星爆发对于生命甚至地球的影响，是科学家们长期研究的对象。1987年2月某日，美国国家航天局（NASA）戈达德太空飞行中心的青年研究者尼尔·格雷尔斯（Neil Gehrels）登上了一架飞往南半球澳大利亚腹地的军用航班。格雷尔斯携带了一些十分特殊的物品：一个聚乙烯太空气球和一组他刚刚在实验室里打造的辐射探测器。他的目的地是位于北领地偏远地区的小镇，爱丽斯泉（Alice Springs）。在这个荒僻的地方，格雷尔斯将利用他的这些特殊物品，在地球大气层上方一窥宇宙中最令人激动人心的事件之一：超新星爆发，而这颗5等星，则位于银河系邻近的卫星星系大麦哲伦星云中。

Neil in 2002 at NASA's Goddard Space Flight Center. Credit: NASA GSFC（尼尔·格雷尔斯）

这颗被命名为SN1987A的超新星，其命运和诸多超新星一样，由于其恒星阶段质量巨大，最终以剧烈塌缩的形式结束了自身的生命。SN1987A的特别之处在于其距离地球较近，在庞大的宇宙尺度中只有约16万光年，这是明朝末年发现的SN1604以来最近的一次超新星爆发事件。

早在上个世纪20年至90年代，科学家曾假设来自邻近超新星爆发所产生的各种射线，会破坏地球的臭氧层，使地球上的动植物长期暴露在有害的辐射下，并进一步导致大规模的物种灭绝。有了来自SN1987A的监测数据，格雷尔斯可以通过计算理论“毁灭半径 ”，即在半径距离内的超新星爆发会对地球产生严重影响，此外，他还可以计算出对应恒星质量出现这一半径的概率。

SN1987A的演变

除此之外，通过地质学家对不同地质年代的研究发现，大约每隔十亿年就有一次距离地球足够近的超新星爆发事件对地球臭氧层产生一次巨大影响。科学家们曾在奥陶纪晚期地层中发现了一些线索。这场生物大灭绝导致了地球约85%的生物灭绝。最近一次有记载的超新星导致的物种小规模灭绝则可能发生在260万年以前，这次灭绝事件导致了当时的海洋霸主巨齿鲨退出了历史舞台。超新星爆发是宇宙中比较常见的一种事件，因其影响巨大，后果严重，所以一向被科学家和媒体所重视。在宇宙尺度中，由于眼见不一定为实，所以地球周围什么时候再次出现影响地球生态的超新星爆发？我们很难寻找到蛛丝马迹。而超新星爆发所带来的影响，却在我们赖以生存的地球留下了一些蛛丝马迹。

五、在地球上寻找超新星爆炸的蛛丝马迹

一些科学家在银河系和邻近的星系中探索，而另一些科学家则把目光转向了地球的深海。由于稀有放射性金属衰变过程缓慢，而其存在就是恒星死亡的直接证据。其中铁-60（Fe-60）成为了科学家们关注对象。这是一种比常规同位元素多4个中子的铁同位素，半衰期约260万年。然后寻找这些铁-60原子并不容易，因为超新星爆发后只有极其少量的铁-60会到达地球，但是在陆地上，这些铁-60会被天然铁稀释，或经历百万年地质变迁被水冲走。

当这些金属离子从陆地上冲刷到海水中，又从海底火山口喷发出时，这些由铁、锰等金属离子与海水中的氧气不断发生反应，最终形成了固体物质，沉淀到海底或随洋流四处飘荡，直到逐渐附着在现有的硬壳上。这种被称为铁锰结壳（Ferromanganese crust）黑色矿物，就像钟乳石一样随着时间推移而不断沉淀。在这个缓慢沉积的物质中，不仅记录着元素周期表上从钴到钇所有的元素，还记录着地球历史变迁，科学家们可以从中找到邻近超新星爆发的直接证据。锰铁结壳在海底岩石地带最初形成的确切过程目前还是未解之谜。由于海洋中每十亿个水分子中只有不到1个铁或锰原子，它们必须抵抗洋流的拉力和其他化学作用相互作用的影响，才能在新一层结壳中固定下来。因此，锰铁结壳的沉积是科学上已知最慢的过程之一，每百万年只增加约5毫米。不过，一旦第一层积累起来，更多的岩层就会不断堆积，最终可厚达25厘米。这些锰铁结壳记录着海水化学成分变化，其中包括一些垂死恒星的元素。上个世纪80年代，地质学家在夏威夷西南部打捞出了最古老的锰铁结壳之一，它可以追溯到7000多万年前。当时正处于白垩纪时期，暴龙还在地球上游荡，印度次大陆只是南极洲和亚洲之间的一座岛屿。

PLAIN-LOOKING, BUT IMPORTANT: Ferromanganese crusts collected by James Hein nearby Hawaii.James Hein（詹姆斯·海因在夏威夷附近采集的锰铁结壳。尽管外观普通，但这些岩石在科学上有着及重要的意义）

与沉积时间缓慢的锰铁结壳不同，超新星的爆发几乎是瞬间发生的。在最常见的超新星爆发中，恒星先是耗尽氢和氦，最后其核心开始燃烧较重的元素，直到最终产生铁。这样的过程可能需要数百万年，但恒星的最后时刻却只有几毫秒。随着重元素在恒星核中不断积累，核心变得不稳定并发生内爆，以四分之一的光速将外层物质吸进核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了内爆，引发了一场大爆炸，将一大团恒星碎片射向太空，其中就包括铁-60同位素，而这些同位素，一些最终落到了锰铁结壳中。

六、超新星爆炸与物种灭绝演化的猜测

时任德国慕尼黑工业大学实验室物理学家的克劳斯·克尼（Klaus Knie）是最早在锰铁结壳中寻找铁-60的人之一。有趣的是，他的团队既没有研究超新星，也没有研究锰铁结壳，而是在开发测量各种元素稀有同位素的方法，包括铁-60。当时另一位科学家测量了铍的一种同位素，而这种同位素刚好可以用来确定锰铁结壳的年代。于是，克劳斯·克尼决定检测同一样品的铁-60。此时他已经知道，铁-60是在超新星爆发中产生。如今在亥姆霍兹重离子研究中心工作的克尼说：“我们是宇宙的一部分，如果我们找对了地方，我们就有机会把这种‘天体物理’物质握在手中。”

MEET THE EARTH’S HISTORIAN: Klaus Knie used this 25 cm-thick ferromanganese crust sampled from the depth of 4,830m in the Pacific Ocean to trace the Fe-60 i Wallner（克劳斯·克尼利用从太平洋4830米深处采集的锰铁结壳来追踪铁的同位素铁-60，这些结壳的厚度最大可达25厘米）

该研究所用的锰铁结壳也是从夏威夷附近海域所获取。检测结果表明，克劳斯·克尼和同事们发现有一层结壳出现了一个铁-60高峰，可以追溯到约280万年前，这标志着当时曾有一颗邻近恒星的死亡。这一发现具有重要的意义。这是在地球上能够找到超新星残余的第一个证据，精确指出了邻近宇宙中上一次超新星爆发的大致时间（如果有更近的事件，研究人员可能就会发现更近的铁-60高峰）。不过，该发现也使克尼提出了一个有趣的演化理论。

根据锰铁结壳中铁-60的含量，克尼估计超新星爆发的位置距离地球至少100光年。这个距离是臭氧层可能被摧毁的距离的三倍，但已经足以潜在地改变云层形成，从而改变气候。虽然280万年前没有发生过大规模物种灭绝事件，但确实发生了一些剧烈的气候变化，这个阶段中，巨齿鲨逐渐在260万年前消亡，另外值得一提的是由于某种变化可能促进了人类的演化。大约在那个时候，非洲的气候变得干燥，导致森林萎缩，取而代之的是大片的草原。科学家认为，这种变化可能促进了我们的原始人类祖先从树上下来，最终开始用两条腿走路。 之后，一些科学家为了可以更快的寻找到蛛丝马迹，他们将地球关键时期与超新星爆发的时间联系起来。比如5次生物大灭绝和数次小规模灭绝。因为超新星爆发可能和超级火山、小行星撞击一样，在生物演化过程中发挥着重要的作用。

这种想法，和所有年轻的理论一样，仍需要时间去验证。然而还有很多学者对此持反对意见。他们认为，铁-60也很有可能是陨石带到地球的，而另一些科学家则认为，数百万年前的这些气候变化可以用温室气体浓度下降，或南北美洲之间的海洋通道关闭洋流变化来解释。不过，克尼等人的研究确实为科学家提供了新的验证工具，使他们能够确定经过地球附近的其他可能更古老的超新星的年代，并研究它们对地球的影响。菲尔兹表示，我们可以利用这些颜色暗淡、缓慢沉积的岩石来研究宇宙中转眼即逝的超新星爆发事件，这相当了不起，相信在未来，它们会为我们讲述更多的故事。

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