大质量恒星爆发

比太阳重许多倍的恒星如何坍缩并把自己炸碎

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一颗超巨星

大质量恒星活得很快。这颗恒星诞生时约有 18 倍太阳质量，燃烧燃料如此猛烈，以至于亮度约为太阳的 9 万倍。它的一生只有大约一千万年，是太阳寿命的千分之一。

它的外层膨胀得如此稀薄，只需几个巨大的沸腾气体对流元胞就覆盖了整个表面，每一个都比太阳宽许多倍。

猎户座的参宿四就是这样一颗恒星，距离约 550 光年。它将在未来 10 万年内的某个时候爆发：对恒星来说只是一瞬，但多半不会发生在我们有生之年。

洋葱般的分层

它的内部是分层的。围绕着一个铁核，依次是硅、氧和氖、碳、氦的壳层，每一层都是在它外面燃烧的燃料留下的灰烬，全部被包裹在一个巨大的氢包层里。

恒星通过把轻元素聚变成重元素而发光。当中心的氢耗尽时，核心收缩并升温，直到能够燃烧氦灰，生成碳和氧。每当一种燃料耗尽，核心就会收缩、变得更热，并开始燃烧上一种燃料的灰烬：碳，然后是氖、氧和硅。

每种燃料都会在核心外侧的一个薄壳里继续燃烧，于是恒星最终像洋葱一样层层包裹。这些壳层大致按比例绘制：恒星的宽度几乎全是氢，其余一切都挤在一个只有太阳大小的核心里。

放大就能看出它们有多深：中心的铁比整颗恒星窄约十万倍。

越来越快

每一种新燃料都比上一种耗尽得更快：氢能烧约 800 万年，氦 100 万年，碳 1000 年，氖和氧各约一年，而硅只有大约十天。

越重的燃料每次聚变释放的能量越少，而且核心必须更热才能让它们聚变。在这样的温度下，核心还会以中微子的形式损失能量，中微子直接飞出恒星，所以它必须越烧越快，仅仅为了支撑住自己。

到燃烧硅的时候，温度约 30 亿度，核心几天之内就会烧完燃料。从外面谁也看不出来：恒星表面的变化太慢，无法显示它的核心正冲向终点。

这些时间来自伍斯利、黑格和韦弗模型中约 20 倍太阳质量的恒星；更重的恒星走完这些阶段还要更快。

铁核

铁原子核是结合得最紧密的原子核之一。把它聚变成更重的东西，或者把它拆成更轻的东西，都需要投入能量。所以铁作为死灰堆积在中间，没有任何东西能再烧它。

支撑核心的只有它的电子，它们被挤压得如此紧密，以至于会向外反推：这正是支撑白矮星的那种压力。这种压力最多只能承受约 1.4 倍太阳质量，而核心周围燃烧的硅还在不断给它添加铁。

虚线圆圈是按比例绘制的地球。核心把比太阳还多的质量塞进了一个比我们的星球还小的球里。

坍缩

核心受压时，电子被强行压入质子，把质子变成中子并放出中微子。能够反推的电子越来越少，坍缩只会越来越快。恒星的其余部分根本来不及察觉：对它们来说，什么都还没有发生。

做功的是核心自身的引力，它释放出的能量惊人：是太阳在一百亿年的一生中发出的全部能量的几百倍，而且只用了不到一秒。

不到一眨眼的工夫，核心就从几乎有地球（虚线圆圈）那么大，缩成一个宽几十千米的球：未来的中子星。

反弹

达到原子核的密度时，下落的核心变硬并反弹，向外发出一道激波。一颗中子星诞生了，10⁵⁸ 个中微子从中喷涌而出，带走了 99% 的能量。

这么致密的物质已经挤到了物质所能达到的极限：一茶匙就重约十亿吨。当内核达到这个密度时，就再也压缩不动了，仍在落向它的气体会像球撞到墙上一样被弹回。

中微子几乎不和任何东西发生作用：每秒都有来自太阳的数万亿个中微子穿过你的身体。在这样的挤压中连它们也会被拖慢，但大约十秒内它们全部逃出，带走了坍缩的几乎全部能量。

它们是人类唯一直接从坍缩核心中捕捉到的东西：1987 年，日本、美国和俄罗斯的探测器从 SN 1987A 捕捉到大约二十几个中微子，比它的光早到了几个小时。

激波停滞，然后冲出

在百分之几秒内，激波失去了推力，停滞在离中心约 150 千米处。中微子加热它后面的气体，使之沸腾，零点几秒之后激波冲了出去。

激波把能量耗在击碎落到它身上的铁原子核上，然后停了下来。几十年来，超新星的计算机模型恰恰在这里失败：在简单的模型里，恒星根本不会爆炸。

答案在中微子身上。激波后面的气体吸收了它们百分之几的能量，在巨大的气泡中沸腾翻滚，把激波向外推，直到它冲出去。只有在一些最大的超级计算机上运行的三维模拟才能再现这一点，而在这些模拟中，恒星如今确实会爆炸。

一旦冲出，激波就以每秒数千千米的速度横扫恒星的各层。

激波冲出表面

大约一天后，激波到达恒星表面，并在一次持续约半小时的紫外闪光中冲破表面。整颗恒星被炸开。

这样的闪光只被在开始时捕捉到过一次：2008 年，雨燕卫星恰好在观测一个星系，此时超新星 SN 2008D 的激波冲出表面，在 X 射线中亮了约五分钟。

对这么大的恒星，激波要花大约一天才能钻出来。SN 1987A 的恒星更小，是一颗蓝超巨星，它的光在中微子之后约三个小时才开始出现。

恒星的外层，超过十个太阳质量的气体，以约每秒 1 万千米的速度被抛出。

超新星

几个月里，这一颗恒星的亮度相当于数亿个太阳，亮到在宇宙的大部分地方都能看见。

漫长而稳定的光来自它抛出的氢。被爆炸加热的气体在扩散中冷却，它的光由外向内逐层逃出。这一阶段结束后，光来自爆炸中产生的镍-56，它先衰变成钴，再衰变成铁，并加热碎片。

SN 1987A 位于 16.8 万光年外的大麦哲伦云，是望远镜发明以来看到的最近的超新星，亮到用肉眼就能看见。

星尘

几百年后，碎片成为一个宽达数光年的壳，富含恒星中制造的氧、硅、钙和铁。它的中心旋转着那颗中子星。

遗迹在冲入周围气体的过程中不断长大，并在激波把气体加热到数百万度的地方发出 X 射线。1.1 万光年外的仙后座 A 就是这样一个遗迹，年龄约 340 年，宽 10 光年；这里的颜色依照钱德拉在其中绘制出的元素分布。

随着时间推移，碎片会混入星系的气体，新的恒星和行星从中形成。我们呼吸的氧有很大一部分、我们血液中的铁有一部分，都是在这样的恒星中制造、又被这样的爆炸散布出去的。

留下的中子星可能作为脉冲星发光，就像蟹状星云里的那颗，蟹状星云是 1054 年那次超新星的遗迹。更重的恒星，其核心还会继续坍缩，成为黑洞。