超新星暴留下最美麗的星雲

2015年6月,由北京大學卡福裡天文與天體物理研究所的研究員東蘇勃帶領的一支國際科學團隊發現了一顆超亮的超新星,《科學》雜誌在2016年1月15日發表了科學團隊的論文成果。超新星ASASSN—15Ih距離地球38億光年,它的最高光度比太陽高出了5700億倍,相當於整個銀河系數千億顆恆星總光度的大約20倍,東蘇勃團隊使用了兩架14釐米口徑的望遠鏡,他們把ASASSN—15Ih被發現的訊息迅速告知了全球的超新星研究者和愛好者,各地臺站後續的觀測使用了包括NASA“雨燕”在內的大型望遠鏡,從光學、X射線到射電等多個波段對這顆超新星進行了全方位的觀測。極亮超新星的發現是中國科學家在觀測天文學和宇宙起源學領域取得的一項重要成果。

超大質量的超新星爆發有I型和II型兩種方式。在宇宙的每800顆恆星中,大約只有一顆恆星的質量大到了以自身引力激發核心層熔合為更重金屬元素的程度,在鐵、鎳和鈷元素產生之前,不同質量的恆星一直把輕元素熔合為重元素,從持續的核合成反應中釋放的輻射壓抵抗了恆星質量的收縮引力,核聚變反應到了生成鐵元素這一步時就停止下來,後續的聚變反應所需的能量遠大於鐵原子熔合後釋放的能量。當恆星的質量大於太陽質量的8倍時,它的鐵核球有一個大約為太陽質量1。38倍的極限值,鐵核的質量達到或超過它的極限值或臨界質量時就會瞬間破壞鐵原子結構,以II型超新星爆發的方式釋放巨大的爆炸能量,鐵核球或者坍塌成一顆體積相當於中等行星、質量相當於太陽的中子星,或者坍塌成一個既不發光、也不反射光的黑洞。

白矮星是類似太陽質量的恆星透過死亡時紅巨星的膨脹和爆發遺存下來的星體,白矮星為何可以發生明亮無比的I型超新星爆發?原來白矮星從雙星系的密結伴星吸取了物質,一顆白矮星和另一顆白矮星也可能發生碰撞與合併,由此不僅激發了超新星暴,而且發出了理論預言的引力波。一旦白矮星從伴星吸取或合併的質量超過了臨界質量,核心的主要碳原子物質就會發生坍塌,碳原子在高溫高壓下發生了巨烈的聚變反應,在極短時間聚集的能量立刻摧毀了白矮星。在元素週期表中,所有比鐵元素更重的金屬元素都是透過超新星暴的機制產生的,其中包括了人們瞭解的金和銀、鈾和鉛、鈽和銫。

超新星暴留下最美麗的星雲

什麼是超新星?天文學家給出了一般性的描述,超新星是特定的大質量恆星在演化週期的最後階段經歷的劇烈爆炸過程,超新星暴極為明亮,甚至可用肉眼看見,它的強烈電磁輻射照亮了整個星系,一顆超新星釋放的輻射能量比太陽在整個生命週期中釋放輻射能量的總和還要多。超新星爆發的過程可以持續數週、數月甚至數年的時間。公元185年,東漢時期的中國天文學家最早看見並記錄了超新星SN 185。歐洲的天文學家第谷在1572年觀測了超新星SN1572,開普勒在1604年觀測了超新星SN1604,儘管中國天文學家對銀河系中超新星的內眼觀測和記載比歐洲天文學家早了一千多年,但第谷和開普勒等人的天文發現對歐洲近代科學產生了劃時代的影響,籠罩在中世紀的亞里斯多德有關地月系以外不變世界的觀念破除了,近代科學起源於歐洲。

超新星的形成有I型和II型兩種基本的觸發方式,在第一種或I型情形中,一顆在簡併力和引力雙重作用下的白矮星從它的伴星吸積了物質,當一顆從伴星吸取質量的碳-氧白矮星總質量達到錢德拉塞卡極限或大約相當於太陽質量的1。44倍時,白矮星的電子簡併力不足以支撐引力的收縮,瞬間的坍塌造成了超新星暴的發生,碳氧原子在失控的核聚變中釋放巨大的能量,白矮星在瞬間的爆發中被完全摧毀。在第二種或II型情形中,當大質量恆星的核心輻射力變得衰弱,無力抵抗自身的強大引力時,核心原子的崩潰導致了恆星外層的劇烈爆發,核心的鐵原子同樣由於電子簡併壓不足以抵抗超過錢德拉塞卡極限的引力作用。

什麼是科學哲學的等效原理?舉例說來,I型超新星和II型超新星形成的方式有所不同,但形成的機制基本一致,I型超新星和II型超新星的形成符合科學哲學機制論的等效原理。在科學事物的一般情形中,當兩種或兩種以上的研究方法達到了同樣的目的時,以哲學的原理形式表述為:所有的方法遵守科學哲學目的論的等效原理。當兩種或兩種以上的演變途徑取得了同樣的結果時,以哲學的原理形式表述為:所有的途徑遵從科學哲學結果論的等效原理。

超新星暴留下最美麗的星雲