《天地本源》

（楊建立著）

第四章 新星之源

按照目前流行的理論，宇宙的形成于138億年前。第一代宇宙天體是由氫、氦等氣體物質坍縮、凝聚而成。

有關第一代恒星組成成分和形成原因，我們這里暫不討論。相比之下，太陽系的形成比較晚，一般認為，太陽系形成于大約46億年前，是第二代，甚至是第三代天體系統。

理論認為，形成太陽及其行星、衛星系統的物質基礎，是上一代恒星在生命終結時發生大爆炸拋出來一部分氣體外殼和塵埃。這些氣體和塵埃逐步匯聚成為分子云，分子云在一定條件下凝聚為星體。也有人認為，氣體塵埃首先聚集成星子，星子進一步碰撞、合并而成為星體。

按照這一理論，組成新星體的物質只有氣體和塵埃，沒有什么“重物質”，沒有能夠導致地表重力偏移的特殊物質，也就不能解疑前述的“重力之惑”。都是普通的氣體和塵埃，沒有什么“奇異物質”，就沒有驅動地殼運動所需的巨大能量來源，解釋不了形成“地面亂象”大陸漂移、板塊運動的動力。只是普通物質之間的集聚與拼湊，就沒有能夠形成“地下迷局”的物質基礎。

要想找到這些“奇異物質”，找到推動地殼運動的能量源泉，就應該從形成天體的物質源頭去尋覓。

按照天文觀測的結果，太陽及其他新生的恒星全部誕生于“分子云”。

分子云

分子云（molecular cloud）是星際云的一種，它的密度和大小允許分子--最常見的是氫分子(H2)--的形成。它的密度高到可以開始產生分子。通常分子云只發射出無線電波長的電磁輻射，而分子云的發現和研究也都是在這個波段進行。它是星際分子 集結的區域。

觀測表明，雖然有些星際分子，如 CO，幾乎散布在所有的天區，但大多數星際分子集結成團，形成分子云。分子云通常是暗的，在光學波段看不見 ，溫度典型值為20K，平均密度10^2～10^4個分子每立方厘米，中央的密度可達10^6個分子每立方厘米。分子云質量一般為 10^4～10^7太陽質量 ，云內有足夠的塵埃屏蔽星光中的紫外線，使分子免遭破壞。在獵戶星云后面有一個巨大的分子云，它是離太陽最近的分子云之一，有小而密的核心以及延伸的低密度云兩部分組成。前者的直徑為0.15秒差距，密度為 10^5個分子每立方厘米，質量為5個太陽質量；后者的直徑至少為 10秒差距，極大密度為10^3個分子/厘米^3，質量達10^4太陽質量。被認為是正在形成的恒星的BN天體就在獵戶分子云中間，BN 天體附近還有另一個紅外源，可能也包括年輕恒星或者正在形成中的恒星。

分子云分為：巨分子云、小分子云、高銀緯彌散分子云。

巨分子云是大量分子氣體的集合體，質量介于10^4–10^6倍太陽質量。云氣的直徑可以達到數十個秒差距，密度則在每立方厘米10^2–10^3個粒子(在太陽附近是平均每立方厘米一個粒子)。在這些云氣內的次結構有復雜的形式，包括絲狀體、片狀、氣泡和不規則的團塊等。

密度最高的絲狀體和團塊部分稱為“分子云核”，而密度最高的分子云核，就稱為“稠密分子云核”，密度可以高達每立方厘米10^4–10^6個粒子。觀測時可以用一氧化碳搜尋分子云核，用氨搜尋稠密分子云核。集中在分子云核的塵埃會阻擋背景的星光，造成星際消光的效果形成暗星云。

我們“本地”的巨分子云通常在其所在天區的星座范圍內占有明顯的位置，因此經常會用星座命名，例如獵戶座分子云(OMC)或是金牛座分子云(TMC)。這些分子云圍繞著太陽成為一個環形的陣列，稱為古爾德帶。在銀河系內質量最大的分子云是人馬座B2，在距離銀河中心120秒差距處形成一道環。人馬座的區域含有豐富的化學元素，是天文學家在星際空間中尋找新分子的良好標本。

小分子云,是孤立的、引力束縛的，質量在數百個太陽質量以下的小分子云稱為包克球。在這種小分子云中密度最高的區域與在巨分子云的分子云核等價，因此常出現在同樣研究之中。

高銀緯彌散分子云，是在1984年，紅外線天文衛星IRAS證認了一種新型的彌散分子云。 這些彌散成絲狀的云在高銀緯的地區(離開銀河盤面的空間)可觀測到，云氣中每立方厘米大約有30顆粒子。

那么，在分子云中的星際氣體和塵埃為什么會集聚在一起，并發生凝聚和坍塌成為星體，而不是彌散開來呢？極有可能在分子云圍繞的核心區域，有比較強大的引力源，或者說有大塊固體物質存在，形成了強大的引力。也就是有本書稱之為“原始星核”的存在。

原始星核

據目前所知，宇宙中新誕生的恒星完全都是在分子云中被制造出來的，這是它們在適當的低溫和高壓下的自然結果，因為導致塌縮的引力可以超出抗拒塌縮的內部壓強。觀測證據也表明，巨大的、正在形成恒星的云在很大程度上是被它們自身的引力束縛的(如同恒星、行星和星系)，而不是像地球大氣層中的云彩那樣由外部壓力束縛。這證據源于從一氧化碳譜線寬度推測出的湍流速度與軌道速率成比例。

分子云的物理性質很難理解，并且仍存有爭議，它們的內部運動由寒冷和磁化氣體的湍流所控制。大質量分子云湍流的運動遠超過音速。這種狀態被認為會迅速失去能量，如果沒有大質量的固體引力源，也就是“原始星核”的存在，分子云很快就會被瓦解。

在我們自己的銀河系中，分子氣體在星際介質中占不到百分之一的體積，但它依然是在太陽環繞銀河中心公轉軌道以內最密集，并且占有大約一半質量的氣體。這些分子氣體大多在距離銀河中心3.5至7.5千秒差距的環形區域中(太陽距離中心大約是8.5千秒差距)。對本星系的大尺度一氧化碳成圖表明，這種氣體出現的位置和本星系的旋臂相關。這些分子氣體主要出現在旋臂上，表明分子云形成和消散的時間應該少于一千萬年，因為這是物質穿越旋臂所要花費的時間。

在垂直方向上，分子氣體位于厚度大約在50–75 秒差距的狹窄的銀河盤面中層，比同屬于ISM的溫暖的原子云(Z=130-400pc)和熱的電離氣體(Z=1000pc)薄許多。在電離氣體的空間分布中，電離氫區的分布是一個例外。電離氫區是在分子云中被年輕的大質量恒星強烈輻射激發所形成的熱離子氣泡，在垂直方向上分布的厚度與分子氣體相近。分子氣體的在大尺度上的分布是平滑的，但小尺度上的分布極不規則，大多集中于孤立的分子云和分子云復合體之中。這“集中”現象又是“原始星核”存在又一佐證，如果沒有較大的固體物質形成引力場，分子云中在局部匯聚很難理解。

分子云的形成，一個關鍵是為分子云的前身--原子云，以及原子云到分子云的過渡狀態的云降溫，而這種降溫是通過膨脹所無法達到的，膨脹只能是使原子云氣體彌散。不過原子云里有著能夠增加凝聚的凝結核--塵埃，塵埃是分子云形成的一個關鍵角色。塵埃可以降低氫原子的熱運動速度，有利于氫分子的形成。但是僅僅有氫分子的話，形成了氫分子的過渡狀態的云還是無法冷卻，因為在通常星際介質的溫度下，氫分子沒有輻射，對冷卻沒有貢獻。在這種情況下，最重要的就是CO分子的冷卻，CO的轉動躍遷譜線是分子云中主要的冷卻機制。而氫分子的熱運動正是激發CO分子轉動的能量源，通過氫分子不斷和CO分子碰撞，CO分子不斷發出轉動躍遷譜線，分子云最終得以冷卻。

形成分子云的另一個關鍵是密度的增加。引力塌縮可以使分子云的密度增加，這對于解釋從分子云到恒星的演化是令人信服的，但是用這個機制解釋高密度分子云的形成是有困難的。高密度分子云的形成有可能是一些壓縮過程造成的，例如超新星的激波沖擊等。不過這些解釋也是有一定困難的，因為激波后氣體的密度和激波速度成正比，熱運動速度也大約和激波速度成正比（也就是溫度和激波速度平方成正比）。大致來說就是，對于一定半徑內的氣體，其抵抗引力的能力增長的速度比引力增長的速度快。所以在這些壓縮過程中應該有別的因素在起作用，這又是一個“原始星核”存在的有力支持。

分子云中存在湍流是一個較為確定的事實，但是對于湍流起到的作用認識不一。有研究指出湍流在某些情況下導致了分子云核的形成，從而導致了恒星形成，因此湍流的能譜和恒星的初始質量函數有一定關系。不過我們對于分子云中的湍流如何產生以及如何耗散知之不多，但很可能湍流的驅動靠的“原始星核”的引力驅動。

另外，云云碰撞，在行星形成過程中，也許做出了一定貢獻，起到促發和催化作用。

那么“原始星核”是從哪里來的呢？其一種可能是，來自于上一代恒星能量耗盡后的“超新星”爆發后的殘留。

超新星爆發

巨大質量恒星的內部溫度遠高于表面，理論上認為，最大的超巨星核心溫度超過10億兆。對于一顆穩定的恒星，核心溫度的理論上限為60億K。超過這個溫度，恒星內部物質發射出的光子能量將高達可以在互相碰撞時轉化成正負電子對，這樣的反應會讓恒星失去穩定，最終在一場巨大的爆炸中毀滅。

現有理論認為，恒星內部主要依靠核聚變產生能量對抗恒星本身萬有引力來維持穩定：能量釋放形成的向外的擴張力與恒星萬有引力制衡。恒星越大所需要的能量越多，消耗氫就越快。然后形成的氦繼續聚變形成碳原子和氧原子，聚變程度取決于恒星的質量。隨著恒星內核中質量堆積，引力越來越大，核聚變原料變少，當核聚變的能量和游離電子之間的“簡并'提供的力無法抗拒萬有引力時，恒星會突然坍縮，速度達到45000英里每秒以上，內核溫度迅速提升。氣體在萬有引力作用下，接近光速砸向內核，此過程會有“反彈效應”，進入的部分氣體反旋向上，從內核中吹出。而內核里電子和質子擠壓產生中微子，中微子穿過稠密氣體時部分被吸收，氣體獲得巨大能量，從而產生巨大爆炸，產生了X光，伽馬射線，紫外線，氣體再次吸收熱量，溫度升至幾百萬度。因而超新星爆發非常亮。

由于光以有限速度進行傳播，許多距離地球遙遠的超新星爆炸通常在之后才發現。下述的這顆最古老的超新星爆炸發生于107億年前，比之前發現紀錄的最早超新星還要早15億年。該超新星爆炸屬于“II類型”，它是一種質量是太陽50-100倍的恒星，當核燃料完全消耗不再爆炸。

《天地本源》（楊建立著）第四章新星之源

大麥哲倫星云內發現兩個超新星爆炸遺跡

這種超新星歸類為類型超新星，是由于它在最后爆炸前噴射出大量的氣體，這些氣體加速了它的死亡進程，導致其爆炸之后仍長期釋放出光亮。類型超新星釋放的光線可持續多年，而普通的超新星僅在短短幾周時間內可見。

在1987年，天文學家在名為大麥哲倫云矮星系附近發現超新星爆炸，被命名為SN 1987A，在其爆炸之后其中心沒有留下任何“殘骸”的痕跡，而按現代理論在大質量的超新星爆炸后應該出現中子星或黑洞。SN 1987A是一顆在最近300年里記錄到的最接近我們的超新星，即使借助于“哈勃”太空望遠鏡也沒有發現黑洞或超密實中子星。

2009年11月10日，位于智利的雙子南座望遠鏡上的多天體光譜儀捕捉到了大麥哲倫星云的DEM L316號地區兩個超新星爆發遺留下的氣泡狀星云。從觀測照片上看，兩團氣泡狀星云似乎將要漂浮并穿過大麥哲倫星云。這些星云雖然看起來幾乎就像是一個天體，但是他們卻是由不同類型的超新星爆炸所形成的兩種截然不同的氣體與塵埃復合物。科學家們認為，這一發現將有助于進一步發現和研究超新星爆炸的殘留物。

大麥哲倫星云是銀河系的近鄰之一，位于劍魚座方向，大約距離銀河系16萬光年。DEM L316號地區則位于大麥哲倫星云之中，其內部有兩團泡沫狀的天體。這種泡沫狀天體延伸的距離大約有140光年。直到上世紀70年代，DEM L316號地區才被首次公認為是超新星爆炸殘留物。許多人認為，DEM L316號地區可能是數萬年前大麥哲倫星云中數顆超新星爆炸所形成的產物。

超新星（supernova，SN）爆炸很恐怖，其恐怖程度看它的絕對星等。星等越小，光度（電磁能量釋放功率）越高，典型的超新星光度曲線如下，

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圖片引自英語維基百科Supernova - Wikipedia

人們把超新星爆炸分為幾個類型：

根據光譜特征，常分為type I（無氫吸收線），type （有氫吸收線）兩大類。由圖知，Ia SN（有硅吸收線），峰值絕對星等超過-19等。Ib SN（無硅吸收線，有氦吸收線）和Ic SN（無氦、硅吸收線），峰值絕對星等達-18等。絕對星等差1，光度差2.512倍。太陽的絕對星等為4.86等，如果把Ia SN放在太陽的位置，那么它最亮時候是太陽的《天地本源》（楊建立著）第四章新星之源倍，89億個太陽。type SN光度普遍小一等，峰值絕對星等在-16到-17等之間，相當于十幾億個太陽！

理論上，可以沒有這么多分類，根據爆發類型，僅分為核坍縮、熱核爆炸兩大類。

核坍縮（core collapse，CCSN），大質量恒星演化晚期的爆炸很復雜，人們一共提出四種類型，鐵核坍縮，電子俘獲，配對不穩定，光致解離。鐵核坍縮，認為大質量恒星核合成至鐵元素，形成洋蔥結構。中心是鐵核，再外依次是硅殼層、鎂殼層、氧殼層、碳殼層、氦殼層、氫殼層、氫包層。于是，Ib SN無氫殼層、氫包層，Ic SN無氦殼層。硅殼層持續燃燒（這里指核聚變反應），導致鐵核質量持續增大（硅聚變并不是合成鐵，但需要硅才能合成鐵，鐵是中子鏈合成的），形成簡并鐵核。爆發則是鐵核質量超過錢德拉塞卡極限，鐵核坍縮，引力能釋放，鐵原子核解離成氦，氦俘獲電子，開啟中子化過程，釋放大量的中微子，帶走了約99%的引力能，核心形成半徑約10km的前身中子星，這些過程的時間只有幾秒，外層來不及反應。核心形成鐵核，光度下降，外層熱壓力減小，引發外層坍縮。當坍縮的外層物質下降遇到前身中子星時，發生什么？人們普遍認為，產生反彈的超音速激波！激波向外沖擊，帶走了外層物質（直接爆發機制），解釋了光度曲線急劇上升。然而，問題也許沒這么簡單，90年代，數值模擬發現激波最終停下來了，炸不開外層物質。但不管機理和過程怎樣復雜，核坍縮型超新星爆發，中心部位形成中子星或者黑洞，外層物質被炸開，這一天文觀測事實已經不容置疑被證實。

熱核爆炸（thermonuclear runaway），C-O簡并核白矮星的爆炸。爆炸的原因尚有有爭議，一般劃分為單簡并模型和雙簡并模型。

單簡并模型。白矮星+伴星物質。一般認為因白矮星吸積伴星物質，白矮星質量最后突破錢德拉塞卡極限（約1.44倍太陽質量），引力超過電子簡并壓，導致星體坍縮。坍縮過程，一半的引力能釋放，一半的轉化為熱能，導致星體溫度急速升高。當溫度達到碳、氧聚變溫度（約8億開爾文），引發失控的熱核反應。原因是正反饋：簡并核的傳熱性非常好，局部熱量可迅速傳導整個星體。聚變反應敏感地依賴溫度（冪率），溫度升高，反應率冪率地增大，導致溫度進一步升高。接著，極高的溫度帶來極高的熱壓力，簡并解除。（其實，過程非常復雜）短時間內聚變釋放的能量超過了引力束縛能，后果就是星體急速膨脹，最終形成行星狀星云，爆炸中心沒有明顯的遺留物。

雙簡并模型。白矮星+白矮星。緊密相鄰的雙星演化，形成白矮星+氦星，白矮星+白矮星等諸多可能（依賴初始質量、吸積率、星風等）。爆發過程，白矮星合并，因此質量可以大大超過錢德拉塞卡極限。 在熱核爆炸模型，超新星釋放能量僅取決于前身星的質量。可想而知，雙簡并模型能量肯定高于單簡并模型。事實上，人們觀測到某些Ia SN光度不止-19等，竟然達到-21等，這可能是雙簡并模型的證據。

以上是一類爆發機制，簡并核心，不論白矮星（可視為裸露的簡并的恒星核心），還是鐵核、氧鎂核。另一類爆發機制，并不是簡并核心。而是由于某些原因，核心的熱壓力下降，發生引力坍縮。

超新星內部的核聚變反應極為劇烈。它必須保持特別快的反應速度才能維持自身的體積。（越大的恒星生命越短）恒星中，核聚變到了26號元素鐵，就會停止。內部核反應如果停止，無法提供能量，內部開始降溫降壓。也無法提供那么強大的能量維持自身。由于超新星的直徑超過5光秒，外界的巨量物質就會急速向內部跌落，由于引力提供的加速度，物質的掉落速度達到亞光速，撞擊后引發超大爆炸，一瞬間鐵之后的元素都出來了。甚至出現元素周期表后面幾百位的元素（這些元素會很快衰變），然后兩極地區釋放伽馬射線暴。

大多數的恒星內核通過氫核聚變進行燃燒，將質量轉變為能量，并產生光和熱量，當恒星內部氫燃料完成消耗完后就開始進行氦融合反應，并形成更重的碳和氧，這一過程對于類似我們太陽這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質量大于1.44倍太陽質量，就會發生Ia型超新星爆發。

綜上所述，根據天文觀測的結果，“超新星”爆發雖然形式復雜，但總體可分為兩大類，一類是“核坍縮”型爆發，爆炸拋射出部分氣體、塵埃，其中心部分殘骸凝聚成“中子星”或者進一步坍縮成為“黑洞”。第二類是“熱核爆炸”,爆發后除了氣體和塵埃遺跡之外，沒有形成“中子星”，更沒有形成“黑洞”，爆炸中心區域沒有明顯的殘留物質。巡天天文望遠鏡對部分“熱核爆炸”型超新星遺跡進行搜索后，結果已經得到證實。

那么，“熱核爆炸”超新星爆發，除了表層的氣體、塵埃，就沒有其他“遺物”？如果有，究竟留下了什么樣的“遺物”呢？

超新星“遺物”

2018年12月6日，科技日報報道，一個國際科學家團隊發現，離地球數十億光年的兩個超新星的殘余物中包含玻璃的主要成分二氧化硅。研究人員使用美國國家航空航天局的斯皮策太空望遠鏡來分析垂死恒星發出的光，獲得了二氧化硅的“指紋”。

這是科學家們首次直接證明，超新星爆發產生二氧化硅。地球上大部分自然元素都與超新星爆發過程有關，而本次研究是在觀測層面進行了證實。

恒星是宇宙中所有重元素的熔爐。科學界認為，宇宙大爆炸初期的主要成分是氫和氦，氫約占80%，氦約占20%。在恒星演化過程中，氫最先燃燒，氫燃燒完以后再點燃氦，氦燃燒的過程中會產生碳和氧。碳氧燃燒的過程就會產生硅、鈣、鎂等元素，這些元素也會燃燒，不過需要更高的溫度。

這種先后燃燒的機制跟恒星的溫度分布有關，恒星中央溫度最高。就像洋蔥一樣，一層一層燃燒，它可以確保恒星內部結構的平衡。

在“洋蔥”中，有兩層與硅元素的產生有關。一層是硅自身的燃燒，一層是產生硅元素的燃燒過程。如果這兩個燃燒過程在超新星爆發前還未結束，其中的硅元素就會在超新星爆發時被拋射到宇宙之中。

除了氫和氦，氧也很活躍，遇到硅之后，就形成了二氧化硅。而二氧化硅是制造玻璃和形成塵埃的主要成分。如果遇到合適的條件，塵埃就會冷卻聚集，慢慢變大，最后變成第二代及以后的恒星或行星，比如地球。在宇宙中，這個過程非常普遍。二氧化硅約占地殼的60％。從某種程度上講，地球上的二氧化硅是遠古恒星的“遺物”。

一般較大質量恒星演化晚期，元素合成至鐵后，內部將不再通過熱核反應產生新能量，巨大的引力使整個星體迅速向中心坍縮。一種結局是將中心物質都壓成中子狀態，形成“中子星”，質量更大的核心甚至塌縮成為“黑洞”。

大質量恒星都是以爆發為型超新星結束它們的一生。一般而言，大質量恒星超新星爆炸會把大部分物質拋射進入太空，最終留下中子星或黑洞，具體情況視恒星的初始質量和物理狀態而定。但是，大質量恒星在宇宙中很少。

宇宙中大多數恒星爆發為a型超新星，屬于“熱核爆炸”型超新星爆發，它們的前身是雙星中的小質量恒星，原因是小質量恒星在形成時就比大質量恒星比例高。在超新星爆炸時，小質量恒星（比如雙星系統中的白矮星）跟大質量恒星拋出去的物質并不一樣。

發生“熱核爆炸”時，星體最外層會留有少許氫、氦等氣體存在，爆炸會再次將這些氣體拋射到宇宙空間；星體較外層為碳和氧，爆炸產生的高溫會把一部分物質汽化，形成一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等氣體；也有一部分物質會被強大的爆炸力炸成粉塵，拋撒到宇宙空間，在宇宙深處，產生了二氧化硅的“指紋”。

再往內層，原子質量逐步增大，直至鐵元素。這些物質在超新星爆發時，由于能量耗竭，不可能還原成氣體，也不可能統統炸成粉塵，還會形成“碎塊”，或者叫做“彈片”。這些“碎塊”或者“彈片”，散落在宇宙空間，成為后世星體的“建筑材料”，這就是地球等巖質星體的物質來源。這些“建筑材料”，在星球形成時沒有被利用的部分，成為流浪的石塊、鐵塊、石鐵塊等等。

在星體形成后，一些“流浪”的碎塊被星體吸引，落入比如地球這樣的星體，就會形成流星。地球、月球在40億年前遭受的“重轟炸”，以及持續到今天，仍然不斷遭受的“流星”襲擾，就是由于它們的存在造成的，也就是我們常見的石隕石、鐵隕石、石鐵隕石。

大質量的“碎片”，成為后世星體誕生過程中的“原始星核”，或者叫做星體的“種子”。在分子云凝聚，引發分子云坍縮成為星球的過程中，起到至關重要的作用。

“熱核爆炸”能夠形成“彈片”，不是空穴來風，不是猜測，這種“彈片”已經被發現。

超新星爆發“彈片”被發現

2017年08月21日，新華社報道，澳大利亞國立大學在此不久前宣布，該校科學家參與的一項研究發現，一個在銀河系流浪的小型星體很可能是數百萬年前一個雙星系統內的白矮星引發的大爆炸崩出來的一枚“彈片”。

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示意圖顯示，在一個雙星系統中，白矮星吞噬其巨星伴侶的物質

澳大利亞國立大學的科學家與捷克、德國、匈牙利、美國、加拿大等國同行合作，使用多個望遠鏡觀察了一枚Ia型超新星的爆炸剩余部分--代號為LP 40-365的“彈片”，這枚“彈片”以極高的速度穿過了銀河系。研究人員對其建立了數學模型，確定其特征，包括其密度、溫度和化學構成。

在此研究基礎上，研究人員認為，在一個雙星系統內，一個高密度的白矮星攫取其巨星伴侶上的物質，隨著白矮星攫取物質越來越多，導致情況失控，強烈的熱核爆炸摧毀了雙星系統。這枚相當于小型恒星大小的爆炸碎片被拋到宇宙中，并飛行了數百萬年。

這種“彈片”是什么物質的組成，除了上述石塊、鐵塊、石鐵塊之外，還有其他什么樣的物質？除了鐵、硅、鎂、氧、碳、氦、氫這些元素之外，一定還存在我們不熟悉的物質形態，我們稱之為“奇異物質”，有關他的成分、性質等問題我們留待“奇異物質”一章進行分析與闡釋。