超星隕落後神秘的舞曲

超星隕落後神秘的舞曲

12-11-2019

 

超新星爆炸 (Supernova)

超新星爆炸的拉丁文中的 “Nova”是指新的星? 其實非也。1931年, 瑞士天文学家沃爾特 (Fritz Zwicky, 1898~1974) 和他的同事巴德 (Walter Baade, 1893 ~ 1960), 取这名是因在天邊他們的亮度突增被人發現, 以為是一顆剛誕生的新星而已。

 

当一顆恆星進入她的生命未期時, 因為核心內部燃料即將耗盡, 核聚变反應漸漸衰弱, 沒有足夠的靜電平衡中心引力, 这時重力(或引力)造成核心快速坍縮, 產生猛烈爆炸, 將其大部分甚至幾乎所有物質以高至十分之一光速噴發出核內物質, 同時射出極強烈的電磁輻射。那強光会照亮星空, 持續從數分鐘到數月, 光度甚至超越整個星系的總和。這代表一颗母星死亡前的迴光返照。她噴出殘餘物質, 有可能彌散為星際物質, 或外層解體為向外膨脹的星雲, 中心遺留部分物質坍縮為一顆高密度天體, 誕生出新的星球。

 

隨着望遠鏡技術的進步, 近年來觀測到超新星爆炸的次數也越來越普遍。1941年, 天文學家按超新星的光度和光譜, 或不同元素的吸收線, 將它们歸類為5類型, 但是相同類型不一定是相同起因。簡單地說: (1) 超新星爆炸是由於兩颗中子星、白矮星和其伴星、或兩個巨型黑洞相遇, 相互角力(見圖), 再度觸發失控的爆炸; (2) 超新星爆炸就是上述老巨星引力塌陷造成. (2a) 超大質量的恆星,死後可能兌变成半徑10公里,密度每立方厘米1~10億噸的中子星, 或半徑3公里,密度立方厘米100億噸的黑洞。(2b) 質量小些, 先变成紅巨星, 再变成白矮星半徑1萬公里, 密度每立方厘米10噸, 最後結局是黑矮星。分別詳細介紹如下:

 

(A)    白矮星 (White Dwarf)

基於錢德拉塞卡極限 (Chandrasekhar Limit), 倘若恆星的質量等於或小於1.4倍太陽的質量, 那麼該恆星到了晚年, 星爆之後, 就只会变成白矮星。

 

就以我们的太陽為例, 半徑70萬公里, 平均密度每立方厘米1.4克, 表面溫度6000 C. 專家預言50億年之後, 太陽核心的氫將会用完, 剩下全是氦。这時太陽会像一個壓力鍋, 鍋的外面受重力的束縛向入壓縮, 但鍋裡面燃料不足, 無法继續進行正常氫核聚变, 太陽的核就開始向入坍縮。造成核內部壓力越來越高, 溫度急劇上升, 啓動氦原子的核聚变反應, 生成碳。產生的熱能將太陽體積暴增至原先的數十倍至百倍, 成為紅巨星 (Red Giant), 表面溫度4000 C太陽的邊界可到達今天的水星軌道。

 

紅巨星保持約10億年, 直到氦原子完全用完。当太陽繼續膨脹, 大到其邊緣接觸到地球軌道, 但因為温度無法再上升到激發碳的核聚变反應, 太陽的外層開始剝落, 重力又會使得恆星繼續向內塌陷, 最後太陽只剩下非常結實的內核, 此時太陽已成了一顆继续不断冷卻的白矮星。再過一百億年, 变成黑矮星。

 

(B)    中子星 (Neutron)

1932年英國人詹姆斯·查德威克 (James Chadwick, 1891~1974) 發現了原子核中不帶電的中子, 大大地促進原子能的研究發展。在1935年他獲諾貝爾物理學奖。

 

蘇聯物理学家列夫·朗道 (Lev Landau, 1908 ~ 1968) 最早提出中子星理論, 他說如果恆星的質量比太陽大, 但不超過「托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限」, 大約2~3個太陽質量, 核心物質完全將會被压縮成中子, 可抗衡重力, 就不会再继续塌缩, 形成中子星以後, 不再產生熱量, 並且隨著時間而冷卻。

 

1974年, 約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和羅素·霍爾斯（Russell Hulse）發現了第一個雙星脈衝星, 即兩個中子星圍繞它們的質心運行。

 

中子星的產生, 1939年, 美國物理學者歐本海默 (J. Robert Oppenheimer, 1904~1967) 計算出, 一顆恆星質量在太陽質量1.5 到3倍之間（又稱歐本海默-沃爾科夫極限）, 是由於在劇烈压缩時, 星球核心物質, 包括重金屬等元素, 所有原子中帶負电荷的电子, 都被擠入原子核, 和帶正电荷的質子產生中和, 原子成了沒有帶电荷的中子。此時星球体積大大地被压縮, 密度高達1小茶匙重約10億噸, 原來比太陽大許多的母星球, 压縮之後直徑只有約30公里。因她仍保持母星的角動量, 体積卻縮得非常小, 故轉速極快。由於中子星強大的磁場, 其發射的電磁波隨着快速自轉, 形成脈衝波, 那就是今日人们觀察到的脈衝星。銀河系中約有1億個中子星。

 

中子星合併, 若兩颗質量較小的中子星合併, 会產生一颗大些新的中子星。但若兩颗質量本來就很大的中子星合併, 其中一颗小些的会被撕裂变成圆環繞在另一颗大的周圍。最後因能量太大, 天地不容, 就坍塌成黑洞。

 

大中子星合併, 產生強烈伽瑪射線暴 (Gamma Ray Burst, GRB), 在幾分鐘內釋放出太陽億萬年能量總和。若發生在距地球3000萬光年內, 人類文明就可能滅絕。

 

伽瑪射線暴能量集中, 有如一束雷射光, 若光源離地球很近, 而且那道光正好照到地球, 首先遭到破坯的是地球的臭氧層, 臭氧被氧化成氧化氮, 導致地球生物直接暴露在有毒的太陽風和宇宙輻射之中, 便無法生存。

 

為了盡快地取得宇宙中伽瑪射線暴的預警, NASA 於 2004年11月和2008年7月, 前後發射了Swift 衛星和费米望遠监控器。10年來, 这些工具協助科学家揭開了宇宙中黑洞的誕生、中子星的合併、引力波產生, 以及許許多多的奧密。

 

 

(C) 黑洞 (Black Hole)

歐本海默極限計算出, 一顆恆星質量超過太陽質量3倍時(一般3~20), 當它失去熱核反應後, 會在自身引力的作用下坍縮成為黑洞。目前為止, 所發現質量最小的黑洞大約有3.8倍太陽質量。

 

在廣義相對論的基礎上, 黑洞是時空曲率大到光都無法從其逃脫的天體。由於黑洞中的光無法逃逸, 所以我们無法直接觀測到黑洞。然而, 可以通過測量它對周圍天體的作用和影響, 來間接觀測它的存在。

 

觀測黑洞 當黑洞吸入恆星時, 其周圍會形成吸積氣盤, 盤中氣體劇烈摩擦, 强烈發熱, 而發出伽瑪射線和X射線。借由對這類X射線的觀測, 可以間接發現黑洞並對之進行研究。

 

引力波 1916年, 大師愛因斯坦廣義相对論中預言宇宙中引力波的存在, 它是由於時空弯曲產生漣漪, 通过波的形式從輻射源將能量向外傳播。歷經幾十年的努力, 人類已發展出技術, 終於觀测到宇宙中數億年前, 兩顆中子星踫撞後發出的引力波。

 

在2015年9月14日, 被LIGO引力波天文台證實了兩個黑洞合併產生引力波的理論. 他們成功地觀測到, 一個約36個太陽質量黑洞, 和另一個則約有29個太陽質量黑洞合併產生引力波。引力波觀測結果為黑洞的存在提供了最具體的證據。

 

超大質量黑洞（Supermassive black hole）, 其質量介於100萬倍至100億倍太陽質量之間, 銀河系中央的超大質量黑洞位於人馬座A中, 距離我們大約2.6萬光年。這是另一種動物, 稍後將討論。

 

寫到這, 我不得不驚嘆这宇宙的設計是如此的有趣。当然人類所猜測和了解的部分, 不見得都是正確, 然而有一件事我深信不疑, 那就是這物質界的宇宙, 是有一個終點。你看! 恆星老去, 被淘汰。星球燃料一旦耗盡, 就冷却暗淡下來。人一生的時日和星球宇宙的年月, 好像無法相提並論, 然而这一切在永恆的神面前, 也不过是雲烟过眼罷了!

 

「天上的萬象都要消沒, 天被捲起, 好像書卷。其上的萬象要殘敗, 像葡萄樹的葉子殘敗, 又像無花果樹的葉子殘敗一樣。」 (賽 34:4)