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天关客星

如果要论天文观测的记录,古代中国的天文观测记录大概是放眼古代中国记录最全,最详细的。在这详尽的记录当中,有一类天体被称为:客星。这里的“客”就是用的“客人”的字面意思,意思是这种天体极少出现。如今我们知道,这类天体实际上可能是彗星、行星或超新星。其中,超新星是极其少见的。

1054年,北宋时期就记载了一颗“天关客星”,它就是一颗超新星。根据记录推断,当时有23天的白天是可以直接看到它的,而在夜晚当中有22个月是可以看到它的,这颗天关客星超新星爆炸后,最终形成了蟹状星云,如今还能被我们观测到。

由于超新星十分罕见,即便是查遍古代的天观测记录,我们也找不到太多相关的记录。即便是到了近代都是如此,能够在有生之年多观测几个超新星对于相关的天文观测者而言无异于是恩赐。

正是因为超新星这样的特点,就有科学家在想:是不是可以在实验室里创造出一颗超新星?

要知道超新星爆炸的亮度是可以媲美一个星系的,是极其剧烈的反应,要在地球上造出一颗超新星是无比艰难的。但是有一个科研小组最近对外宣布他们实现了人造超新星。那到底是咋回事呢?

超新星到底是什么?

要了解这个问题之前,我们就得先搞清楚:什么是超新星?超新星有什么用?

简而言之,对于超新星的研究有利于人类探索元素的起源。我们都知道,万物都是粒子构成的。夸克会构成质子和中子等粒子,而质子和中子会构成原子核,原子核和电子会构成原子。原子分了很多种,我们称之为元素,并且科学家搞出了一张“化学元素周期”。

可是问题就来了,这化学元素周期表上的元素到底是咋来的呢?

按照我们如今的理论,我们知道氢元素和绝大多数的氦元素都来自于宇宙诞生的早期,它们是元素周期表最靠前的两个元素,也是宇宙中的大多数。那其他的元素是咋来的呢?

有四位科学家曾经试图想要推翻宇宙大爆炸理论。他们想要证明宇宙一开始就有其他的元素。结果,在详细地分析之后,他们发表了著名“B^2FH”理论,这里的字母是四位科学家名字的首字母,其中有两个科学家的首字母是“B”开头,所以用“B^2”来表述。这个理论让我们清楚了元素的起源。具体来说是这样的,宇宙中有一类庞大的天体叫做:恒星。

恒星内核会发生核聚变反应,由于宇宙中绝大多数的元素都是氢元素和氦元素,而且氢元素尤其多。于是,恒星内核一开始都会进行氢原子核的核聚变反应,生成氦原子核。

如果恒星的质量足够大,那么就可以进行下一步核聚变,也就是氦原子核的核聚变反应,生成碳元素和氧元素。我们会发现,随着反应的推进,生成的元素的原子序数越来越大。

只要恒星的质量足够大,这样的情况可以一直持续到铁元素,铁原子核是最稳定的原子核,如果要让铁原子核进行反应需要巨大的能量。只有质量达到8倍太阳质量以上的恒星才有可能促发这个反应,这个时候就会发生剧烈的爆炸,这也就被我们称为超新星爆炸。

超新星爆炸堪称宇宙奇观,整个过程会向外释放巨大的能量。而在这个过程中,还会生成很多原子序数比铁元素大的元素原子核。因此,对于超新星的研究,可以很有效地帮我们了解“元素的起源”问题。要知道,人体当中有许多元素的原子序数都很大,搞清楚超新星爆炸,其实也可以搞清楚:我们人类到底从哪儿来?

不过,宇宙中如今大多数的恒星都属于小质量恒星,能够发生超新星爆炸的大质量恒星很少。因此,我们能够观测到并且可以加以研究的超新星爆炸比较少(也就是距离我们比较近的超新星)。

人造超新星

1980年,一位叫做帕克(Park)的研究生很幸运,她观测到了一颗在银河系的超新星。她所在的IMB探测器就捕捉到了超新星爆炸后传播出来的粒子,这次观测帮助科学家了解到了很多关于超新星的信息。

这一晃30年过去了,帕克已经成为了一位资深科学家,但是她在过去的30年内就没有再遇到这样的好事。

于是,她一直在试图用人工的手段来探索超新星。科学家们原本就考虑过用多束高强度的激光来模拟超新星爆炸的环境,但是一直苦于无法实现。

帕克领导的小组用192束的超强激光聚焦在很小的空间内产生超高能量密度,以此模拟出了同等能量密度的超新星爆炸环境。其中使用到的192束的功率达到了500万亿瓦的功率,这样的耗电量只需要一瞬间就可以消耗掉整个美国总功耗的千分之一。

这实验是相当的费电,所以只进行了很短的时间。在短短的时间内,帕克领导的小组做了详尽的观测和记录,并希望能够从这次模拟实验中获取到超新星是如何产生高能粒子的原因?

也就是说,人类已经可以在实验室当中模拟出超新星爆炸的环境。实际上,类似的操作在科学界还有很多,比如,欧洲核子研究组织就一直在尝试利用大型强子对撞机(LHC)来模拟宇宙大爆炸早前的环境温度,以此来了解宇宙早期的演化。

要知道,超新星爆炸只是大质量恒星演化到生命尽头之前的“回光返照”。

超新星爆炸之后,恒星的内核如果质量超过1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,它就会变成中子星;

如果恒星的内核大于3倍太阳质量,它就会形成黑洞。中子星和黑洞是宇宙中最恐怖的两种天体,它们十分致密,如果普通的天体遭遇到它们都会被吃掉。

至今我们对它们还是知之甚少,因此在未来如何也能够在实验室里模拟出中子星或者黑洞,很有可能会对现代物理学产生重大影响,甚至会引发物理学革命。不过,这两种天体都太过恐怖,如果太小了,黑洞会因为霍金辐射而瞬间蒸发,如果太大了,地球可能会直接被吞噬掉。