一、為什么寄宿公司爆炸會(huì)成為大新聞？

最近幾個(gè)月，獵戶座星(參宿四)持續(xù)變暗的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳來。

一些大膽的猜測(cè)認(rèn)為參宿四已經(jīng)發(fā)生了爆炸，有些學(xué)者認(rèn)為，目前我們所觀測(cè)到的持續(xù)變暗是超新星爆發(fā)前塌縮所致，因?yàn)槿魏纬滦潜l(fā)前，都會(huì)發(fā)生坍縮。

上圖由布萊恩·奧特姆（Brian Ottum）提供，圖左攝于2016年2月，圖右攝于2019年12月31日。注意兩者背景星光的亮度是一致的，但參宿四卻明顯變暗了。（兩張圖對(duì)比了幾年前的參宿四與現(xiàn)在的參宿四）

一周前，1月6日，AAVSO發(fā)布了一條緊急通知（通知內(nèi)容見文末），因參宿四亮度鄰近極小值，通知要求全球觀測(cè)者對(duì)這顆遲暮的恒星（紅巨星）進(jìn)行多波段跟蹤觀測(cè)。這或許會(huì)成為最近幾百年來，人們所觀察到的距離地球最近的超新星爆發(fā)事件。我們知道參宿四已經(jīng)走向了其生命周期的最末端，但是參宿四超新星爆發(fā)是否會(huì)影響到我們耐以生存的地球，目前科學(xué)界存在兩種說法，一種是參宿四自轉(zhuǎn)軸和地球夾角只有20度，影響微乎其微（理論模型上）。另一種就是距離足夠近，600光年距離，足以造成地球生物大滅絕。當(dāng)然，一些反對(duì)者認(rèn)為600光年距離已經(jīng)夠遠(yuǎn)，即便沒有自轉(zhuǎn)軸的問題，其爆發(fā)對(duì)地球的影響也微乎其微。事關(guān)人類生死存亡，大新聞也就誕生了。

二、什么是超新星爆炸

超新星爆發(fā)是宇宙中大質(zhì)量恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮，過程中所釋放的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并持續(xù)幾周甚至數(shù)月才會(huì)逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。這段時(shí)期中，一顆超新星所釋放的能量可以與太陽(yáng)在其一生中釋放的能量總和相當(dāng)甚至超過其總量。（詳見文末參宿四相關(guān)報(bào)道）

參宿四超新星爆發(fā)模擬圖：下方的是太陽(yáng)，上方更大的發(fā)光物體為參宿四

三、最早關(guān)于星星“爆炸”的記載

迄今為止，在我們生存的銀河系內(nèi)，有記錄的超新星爆發(fā)事件只有8次。提到超新星，中國(guó)人可能并不陌生。因?yàn)橹袊?guó)是最早記載并記錄超新星的國(guó)家。商周時(shí)期的周，就有了超新星爆發(fā)的相關(guān)記載。而最早的有明確歷史記載并記錄的超新星爆發(fā)事件，就是由中國(guó)人發(fā)現(xiàn)并記錄的。其中最著名的超新星爆發(fā)事件發(fā)生于公元1054年7月4日，宋朝天監(jiān)官發(fā)現(xiàn)的金牛座超新星爆發(fā)。今天的科學(xué)家就是通過關(guān)于超新星的記載發(fā)現(xiàn)了超新星爆炸后產(chǎn)生的蟹狀星云，并從中找到了恒星演化的缺失環(huán)節(jié)。而最近一次中國(guó)人記載的超新星爆發(fā)記錄，則發(fā)生在1604年的中國(guó)明朝后期。由于望遠(yuǎn)鏡直到1609年才出現(xiàn)，這也是一次肉眼可見和肉眼觀測(cè)記載的發(fā)生在銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)，1604年10月，歐洲天文學(xué)家開普勒耗時(shí)兩年時(shí)間研究這顆位于蛇夫座的超新星，直到1606年該超新星消失不見。

四、現(xiàn)代科學(xué)對(duì)超新星爆炸的研究

對(duì)于超新星的研究，天文學(xué)家和物理學(xué)家從未止步。超新星爆發(fā)的過程預(yù)示恒星生命的結(jié)束，同時(shí)也宣告兩種神秘天體的誕生，中子星和黑洞。而超新星爆發(fā)對(duì)于生命甚至地球的影響，是科學(xué)家們長(zhǎng)期研究的對(duì)象。1987年2月某日，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）戈達(dá)德太空飛行中心的青年研究者尼爾·格雷爾斯（Neil Gehrels）登上了一架飛往南半球澳大利亞腹地的軍用航班。格雷爾斯攜帶了一些十分特殊的物品：一個(gè)聚乙烯太空氣球和一組他剛剛在實(shí)驗(yàn)室里打造的輻射探測(cè)器。他的目的地是位于北領(lǐng)地偏遠(yuǎn)地區(qū)的小鎮(zhèn)，愛麗斯泉（Alice Springs）。在這個(gè)荒僻的地方，格雷爾斯將利用他的這些特殊物品，在地球大氣層上方一窺宇宙中最令人激動(dòng)人心的事件之一：超新星爆發(fā)，而這顆5等星，則位于銀河系鄰近的衛(wèi)星星系大麥哲倫星云中。

Neil in 2002 at NASA's Goddard Space Flight Center. Credit: NASA GSFC（尼爾·格雷爾斯）

這顆被命名為SN1987A的超新星，其命運(yùn)和諸多超新星一樣，由于其恒星階段質(zhì)量巨大，最終以劇烈塌縮的形式結(jié)束了自身的生命。SN1987A的特別之處在于其距離地球較近，在龐大的宇宙尺度中只有約16萬光年，這是明朝末年發(fā)現(xiàn)的SN1604以來最近的一次超新星爆發(fā)事件。

早在上個(gè)世紀(jì)20年至90年代，科學(xué)家曾假設(shè)來自鄰近超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的各種射線，會(huì)破壞地球的臭氧層，使地球上的動(dòng)植物長(zhǎng)期暴露在有害的輻射下，并進(jìn)一步導(dǎo)致大規(guī)模的物種滅絕。有了來自SN1987A的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，格雷爾斯可以通過計(jì)算理論“毀滅半徑 ”，即在半徑距離內(nèi)的超新星爆發(fā)會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生嚴(yán)重影響，此外，他還可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)恒星質(zhì)量出現(xiàn)這一半徑的概率。

SN1987A的演變

除此之外，通過地質(zhì)學(xué)家對(duì)不同地質(zhì)年代的研究發(fā)現(xiàn)，大約每隔十億年就有一次距離地球足夠近的超新星爆發(fā)事件對(duì)地球臭氧層產(chǎn)生一次巨大影響?？茖W(xué)家們?cè)趭W陶紀(jì)晚期地層中發(fā)現(xiàn)了一些線索。這場(chǎng)生物大滅絕導(dǎo)致了地球約85%的生物滅絕。最近一次有記載的超新星導(dǎo)致的物種小規(guī)模滅絕則可能發(fā)生在260萬年以前，這次滅絕事件導(dǎo)致了當(dāng)時(shí)的海洋霸主巨齒鯊?fù)顺隽藲v史舞臺(tái)。超新星爆發(fā)是宇宙中比較常見的一種事件，因其影響巨大，后果嚴(yán)重，所以一向被科學(xué)家和媒體所重視。在宇宙尺度中，由于眼見不一定為實(shí)，所以地球周圍什么時(shí)候再次出現(xiàn)影響地球生態(tài)的超新星爆發(fā)？我們很難尋找到蛛絲馬跡。而超新星爆發(fā)所帶來的影響，卻在我們賴以生存的地球留下了一些蛛絲馬跡。

五、在地球上尋找超新星爆炸的蛛絲馬跡

一些科學(xué)家在銀河系和鄰近的星系中探索，而另一些科學(xué)家則把目光轉(zhuǎn)向了地球的深海。由于稀有放射性金屬衰變過程緩慢，而其存在就是恒星死亡的直接證據(jù)。其中鐵-60（Fe-60）成為了科學(xué)家們關(guān)注對(duì)象。這是一種比常規(guī)同位元素多4個(gè)中子的鐵同位素，半衰期約260萬年。然后尋找這些鐵-60原子并不容易，因?yàn)槌滦潜l(fā)后只有極其少量的鐵-60會(huì)到達(dá)地球，但是在陸地上，這些鐵-60會(huì)被天然鐵稀釋，或經(jīng)歷百萬年地質(zhì)變遷被水沖走。

當(dāng)這些金屬離子從陸地上沖刷到海水中，又從海底火山口噴發(fā)出時(shí)，這些由鐵、錳等金屬離子與海水中的氧氣不斷發(fā)生反應(yīng)，最終形成了固體物質(zhì)，沉淀到海底或隨洋流四處飄蕩，直到逐漸附著在現(xiàn)有的硬殼上。這種被稱為鐵錳結(jié)殼（Ferromanganese crust）黑色礦物，就像鐘乳石一樣隨著時(shí)間推移而不斷沉淀。在這個(gè)緩慢沉積的物質(zhì)中，不僅記錄著元素周期表上從鈷到釔所有的元素，還記錄著地球歷史變遷，科學(xué)家們可以從中找到鄰近超新星爆發(fā)的直接證據(jù)。錳鐵結(jié)殼在海底巖石地帶最初形成的確切過程目前還是未解之謎。由于海洋中每十億個(gè)水分子中只有不到1個(gè)鐵或錳原子，它們必須抵抗洋流的拉力和其他化學(xué)作用相互作用的影響，才能在新一層結(jié)殼中固定下來。因此，錳鐵結(jié)殼的沉積是科學(xué)上已知最慢的過程之一，每百萬年只增加約5毫米。不過，一旦第一層積累起來，更多的巖層就會(huì)不斷堆積，最終可厚達(dá)25厘米。這些錳鐵結(jié)殼記錄著海水化學(xué)成分變化，其中包括一些垂死恒星的元素。上個(gè)世紀(jì)80年代，地質(zhì)學(xué)家在夏威夷西南部打撈出了最古老的錳鐵結(jié)殼之一，它可以追溯到7000多萬年前。當(dāng)時(shí)正處于白堊紀(jì)時(shí)期，暴龍還在地球上游蕩，印度次大陸只是南極洲和亞洲之間的一座島嶼。

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錳鐵結(jié)殼。盡管外觀普通，但這些巖石在科學(xué)上有著及重要的意義）

與沉積時(shí)間緩慢的錳鐵結(jié)殼不同，超新星的爆發(fā)幾乎是瞬間發(fā)生的。在最常見的超新星爆發(fā)中，恒星先是耗盡氫和氦，最后其核心開始燃燒較重的元素，直到最終產(chǎn)生鐵。這樣的過程可能需要數(shù)百萬年，但恒星的最后時(shí)刻卻只有幾毫秒。隨著重元素在恒星核中不斷積累，核心變得不穩(wěn)定并發(fā)生內(nèi)爆，以四分之一的光速將外層物質(zhì)吸進(jìn)核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了內(nèi)爆，引發(fā)了一場(chǎng)大爆炸，將一大團(tuán)恒星碎片射向太空，其中就包括鐵-60同位素，而這些同位素，一些最終落到了錳鐵結(jié)殼中。

六、超新星爆炸與物種滅絕演化的猜測(cè)

時(shí)任德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家的克勞斯·克尼（Klaus Knie）是最早在錳鐵結(jié)殼中尋找鐵-60的人之一。有趣的是，他的團(tuán)隊(duì)既沒有研究超新星，也沒有研究錳鐵結(jié)殼，而是在開發(fā)測(cè)量各種元素稀有同位素的方法，包括鐵-60。當(dāng)時(shí)另一位科學(xué)家測(cè)量了鈹?shù)囊环N同位素，而這種同位素剛好可以用來確定錳鐵結(jié)殼的年代。于是，克勞斯·克尼決定檢測(cè)同一樣品的鐵-60。此時(shí)他已經(jīng)知道，鐵-60是在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生。如今在亥姆霍茲重離子研究中心工作的克尼說：“我們是宇宙的一部分，如果我們找對(duì)了地方，我們就有機(jī)會(huì)把這種‘天體物理’物質(zhì)握在手中?！?/p>

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（克勞斯·克尼利用從太平洋4830米深處采集的錳鐵結(jié)殼來追蹤鐵的同位素鐵-60，這些結(jié)殼的厚度最大可達(dá)25厘米）

該研究所用的錳鐵結(jié)殼也是從夏威夷附近海域所獲取。檢測(cè)結(jié)果表明，克勞斯·克尼和同事們發(fā)現(xiàn)有一層結(jié)殼出現(xiàn)了一個(gè)鐵-60高峰，可以追溯到約280萬年前，這標(biāo)志著當(dāng)時(shí)曾有一顆鄰近恒星的死亡。這一發(fā)現(xiàn)具有重要的意義。這是在地球上能夠找到超新星殘余的第一個(gè)證據(jù)，精確指出了鄰近宇宙中上一次超新星爆發(fā)的大致時(shí)間（如果有更近的事件，研究人員可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)更近的鐵-60高峰）。不過，該發(fā)現(xiàn)也使克尼提出了一個(gè)有趣的演化理論。

根據(jù)錳鐵結(jié)殼中鐵-60的含量，克尼估計(jì)超新星爆發(fā)的位置距離地球至少100光年。這個(gè)距離是臭氧層可能被摧毀的距離的三倍，但已經(jīng)足以潛在地改變?cè)茖有纬桑瑥亩淖儦夂?。雖然280萬年前沒有發(fā)生過大規(guī)模物種滅絕事件，但確實(shí)發(fā)生了一些劇烈的氣候變化，這個(gè)階段中，巨齒鯊逐漸在260萬年前消亡，另外值得一提的是由于某種變化可能促進(jìn)了人類的演化。大約在那個(gè)時(shí)候，非洲的氣候變得干燥，導(dǎo)致森林萎縮，取而代之的是大片的草原。科學(xué)家認(rèn)為，這種變化可能促進(jìn)了我們的原始人類祖先從樹上下來，最終開始用兩條腿走路。 之后，一些科學(xué)家為了可以更快的尋找到蛛絲馬跡，他們將地球關(guān)鍵時(shí)期與超新星爆發(fā)的時(shí)間聯(lián)系起來。比如5次生物大滅絕和數(shù)次小規(guī)模滅絕。因?yàn)槌滦潜l(fā)可能和超級(jí)火山、小行星撞擊一樣，在生物演化過程中發(fā)揮著重要的作用。

這種想法，和所有年輕的理論一樣，仍需要時(shí)間去驗(yàn)證。然而還有很多學(xué)者對(duì)此持反對(duì)意見。他們認(rèn)為，鐵-60也很有可能是隕石帶到地球的，而另一些科學(xué)家則認(rèn)為，數(shù)百萬年前的這些氣候變化可以用溫室氣體濃度下降，或南北美洲之間的海洋通道關(guān)閉洋流變化來解釋。不過，克尼等人的研究確實(shí)為科學(xué)家提供了新的驗(yàn)證工具，使他們能夠確定經(jīng)過地球附近的其他可能更古老的超新星的年代，并研究它們對(duì)地球的影響。菲爾茲表示，我們可以利用這些顏色暗淡、緩慢沉積的巖石來研究宇宙中轉(zhuǎn)眼即逝的超新星爆發(fā)事件，這相當(dāng)了不起，相信在未來，它們會(huì)為我們講述更多的故事。