超新星是恆星的死亡時所產生的劇烈爆炸現象,通常會發出極高的亮度。如果超新星距離我們夠近,就可能短暫成為天空中肉眼可見的亮星,像是前來作客一樣,因此在中國古代經常稱為「客星」。例如,宋仁宗至和元年(西元1054年)出現了「天關客星」,這顆突如其來的星星,持續在天空中發亮一年多,因此宋代史籍中留下不少紀錄。

「超新星」的物理機制到了1930年代才提出。當時,學者開始懷疑蟹狀星雲(Crab Nebula)的形成與超新星有關,但是需要更多證據。1942年,在荷蘭漢學家戴聞達(J. J. L. Duyvendak)、美國天文學家梅耶爾(Nicholas Mayall)、荷蘭天文學家歐特(Jan Oort)的合作下,從中國古代史籍翻找出西元1054年的觀測紀錄來分析。1054年的這顆「客星」,不但爆發時間和位置都與蟹狀星雲一致,而且現代學者還原出的最大亮度與亮度變化曲線,都與超新星相符。藉由史籍的紀錄,「蟹狀星雲是超新星殘骸」這項關鍵連結終於建立了起來,為此後蟹狀星雲研究在天文物理的重大貢獻奠定基礎。這可說是古代文獻應用在現代科學的經典案例。

經過千年以上的記錄與探索,如今人類對於超新星的物理有了深入的認識。目前所知,「核心塌縮(core collapse)」是一種常見的超新星爆發機制。恆星誕生以後,內部不斷行核融合反應,維持星球發光所需的能量。在恆星生命的大部分時間,恆星的核心持續將氫元素燃燒成為氦元素。一旦核心的氫燃料用罄之後,恆星就步入衰老、死亡的階段。此時,恆星中央的氦核接著繼續燃燒成碳。如果恆星質量夠大,還可繼續反應生成更重的元素。如此一來,在大質量恆星演化的末期,內部會形成「洋蔥狀」的構造,中心是鐵核,往外是矽、氧、碳、氦、氫等一層層越來越輕的元素。由於鐵是結合能最高的元素,無法在恆星內部進一步核融合反應,一旦鐵核的壓力抵抗不住重力,核心就會塌縮,爆炸成為超新星。

這一連串核融合反應到超新星爆發的過程,對於宇宙演化和生命起源有重大意義。天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)有句名言:「宇宙就在我們之內,我們由星塵構成,我們就是宇宙認識自己的途徑。(The cosmos is within us. We are made of star-stuff. We are a way for the universe to know itself.)」早期宇宙只有氫、氦等輕元素,並不存在生命所需的重元素。恆星是重元素的工廠,經過一連串的核融合反應,將各種重元素製造出來,接著由超新星等機制釋放到環境當中,最終才成為構成地球環境與生命體的基本原料。

下圖是超新星殘骸仙后座A(Cas A)的X射線觀測結果。由X射線光譜分析,可以得到各種重元素的質量和空間分布,讓我們看見超新星爆發的豐碩成果。經過推算,這顆超新星殘骸中的硫、矽、鐵元素分別有地球質量的1萬、2萬、7萬倍,而氧元素甚至高達地球質量的100萬倍,非常可觀。人類生命所需的氧元素,主要就是由恆星製造,再由超新星爆炸釋放出來。這些重元素釋放到星際之中,於是到了下一代恆星誕生的時候,環境中就攜帶了豐富的重元素。

太陽系形成的時候,已經存在著前一代恆星製造的重元素,因此我們才有構成生命的基本成分。在隕石中的富含鈣鋁夾雜物(Calcium–aluminium-rich inclusion;簡稱CAI)當中,保存了含量異常高的鋁-26、鐵-60等放射性同位素。這些放射性同位素很可能來自從前的超新星,是超新星在太陽系誕生時留下的痕跡。

錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)拍攝的仙后座A超新星殘骸影響。利用光譜分析,解析出各種元素的空間分布,顯示超新星釋放出重元素的情形。(圖片來源:NASA/CXC/SAO)https://chandra.harvard.edu/photo/2017/casa_life/

超新星提供了生命起源的物質原料,卻也可能反過來威脅地球環境。學者經由海洋地殼的取樣分析,發現在大約2百萬年前,地球上的鐵-60含量異常上升。鐵-60是個特殊的放射性同位素,無法在地球上自然形成,因此是超新星在地球上留下的獨特腳印。近期的研究顯示,過去1千萬年內可能有至少兩起鄰近地球的超新星爆發事件。以上事件的實質影響還不清楚,但是另一起關於地球環境的重大事件值得注意——泥盆紀後期滅絕事件(Late Devonian extinction)或俗稱的第四次生物大滅絕事件,可能肇因於地球臭氧層的破壞,而其中一個嫌疑犯就是超新星。未來若能從岩石中的同位素找到證據,或許能更清楚超新星是否與這次重大滅絕事件有關。

研究超新星爆炸幫助我們了解大質量恆星的演化、元素的形成,與相關複雜天文現象, 它提供一個探索宇宙物理的絕佳實驗室。然而超新星背後的物理相當複雜,包含如核物理、流體力學、廣義相對論、輻射轉移等方面。 其中最令科學家頭痛的是爆炸時所產生的複雜流體運動。許多觀測證據顯示,超新星爆炸並非完美的球對稱。例如蟹狀星雲中放射性同位素鈦44空間上的分布非常不均勻,無法由球對稱的簡單爆炸模型來解釋。超新星爆炸的過程中,內部高密度的物質推往恆星外層低密度的氫,就會產生流體不穩定性,首先形成「手指狀」的構造,最後這些結構將會演化成複雜的紊流並對爆炸過程有至關重要的影響。

然而計算這些紊流結構非常困難,因為它們需要非常大量的計算與精確的演算法。近年來由於平行運算技術與超級電腦的快速發展,造就了多維度的超新星模型,並提供了解真實的爆炸過程的研究手段。中研院天文所陳科榮與學生們組成的研究團隊藉由超級電腦模擬,設法探索超新星爆炸物理與其天文學上的應用,研究目標是能幫助我們理解超新星爆炸的物理機制,進而知悉這些猛烈爆炸對於宇宙環境、甚至我們生活的地球環境的影響。

超級電腦模擬超新星爆炸的三維影像,複雜的流體結構伴隨爆炸一起產生,大尺度的紊流能改變爆炸時所釋放出的能量與超新星的觀測量。(陳科榮提供)

參考資料:
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中研院天文所陳科榮團隊「爆炸小組」網站 https://spes31415.wixsite.com/cosmicexplosion