夜空童话（六）：燃烧吧！超新星
上期回顾：
死了都要爱
不淋漓尽致不痛快
感情多深 只有这样
才足够表白
死了都要爱
不哭到微笑不痛快
宇宙毁灭心还在
——信乐团《死了都要爱》
舞台是深邃浩瀚的宇宙，演员是各式各样的恒星，总导演是自然规律。随着剧情的发展，最重要的角色准备登台。
一场大戏即将上演。
我们已经知道，自然界在铁这个地方设置了一道门限。聚变到此为止，裂变也到此为止。那么，恒星最后形成的铁核，会不会像碳氧核的白矮星那样，安静地谢幕，无声地离开舞台？
我是不是该安静地走开，还是该勇敢留下来
如果这要是那样的话，自然界也太无趣了。还好，自然界并没有那么枯燥无味。它给我们带来了一位最重量级的明星——这里可没有任何比喻的成分，那可真的是毫无水分的重量级、货真价实的一颗大明星。
这就是质量相当于太阳8倍到20倍的巨恒星。
这种恒星数量并不会很多。天空中，只有1%的恒星比太阳的质量重8倍以上。
巨型恒星的演化规律之前是和太阳几无二致：氢聚变成氦，氦聚变成碳，碳聚变成氧，……最后一直到铁。只不过由于恒星质量实在太大，它的“燃料”太充足，因此它会燃烧得很快：比起太阳100亿年的主序星年龄，它的主序星年龄可能只有1000万年。它生命比太阳短得多，没过多久氢燃料就耗光了。
我们回顾一下太阳。太阳聚变到碳和氧的时候就不足以支撑起下一步的反应了。停止了反应意味着没有能量输出，没有能量输出意味着失去了抵抗坍塌的动力来源。于是引力主导下的坍塌继续肆虐，直到把原子里的电子都压到密密麻麻。到了实在压不下去的时候，才总是勉强维持住一个平衡。小小的电子现在成了抗衡引力的主力军。这种靠电子形成的抵抗力叫做电子简并压力。
小小电子挺身而出，抵抗坍塌
电子简并压力的理论基础是由极具性格特色的著名物理学家泡利提出的泡利不相容原理：不能有两个或两个以上的费米子处于完全相同的状态。在原子中，就表现为不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子态。一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反。
沃尔夫冈·泡利 (Wolfgang E.Pauli)
依靠电子简并压力，已抵达生命尽头的太阳终于能保持平衡，直到最后黯然消逝之前都能保持这种状态。你已经知道了这类型的天体就是白矮星。
白矮星
再来看大质量恒星。在大质量恒星中心能形成铁核。随着外层不断坍塌，恒星向内挤压自身，中心部位形成的铁越来越多，铁核密度越来越大。电子简并压力如约而至，阻止了它进一步往下塌陷——暂时地。
坍缩消停了一会，恒星维持了短暂的平衡。但是，和太阳不同，巨型恒星由于质量实在太大，就像在骆驼背上不停放稻草，终于会有一天塌缩力会压垮电子简并力。此时，一件奇异的事情发生了：电子竟然被硬生生地压进了原子核里面，被质子俘获，合成了中子。同时在这个过程中放出一种叫中微子的粒子，并且释放出巨大能量。这个过程叫电子俘获。恒星现在彻底崩塌了，无数的电子和质子被压成中子。最后，整个核都坍塌成中子。
中……中子？
还记得原子吗？原子的中心是原子核，外面围绕着电子。如果把原子核放大成一个人般大小，那么电子云的半径就有140公里。如果原子核是站在北京城的一个人，那原子的范围就到达天津这么大。对于南方的朋友，如果人在广州，那原子范围就抵达香港。尽管这些大家都已经知道，这里只是想再次强调一下，原子的内部是多么的空虚。
现在恒星面临的情况是，所有的东西都被密密麻麻地压到一小块核心里，这核心的密度就相当于原子核的密度。现在，一块乒乓球大小的这种物质就相当于7000万架空客A380客机的重量——如果你还记得，白矮星的一个乒乓球大小的物质等同于20架空客A380客机的重量的话，你就能体会到这种全由中子组成的物质有多紧密。
不仅如此。坍塌的时候往核心坠落的物质是以非常高的速度往里塌陷。速度最高可达20%的光速。这些极速下坠的物质碰到中心密度极大的中子核，就如碰到一堵铁墙，发生反弹，进而形成了向外的冲击波。冲击波威力无比地向外冲击而去。
冲击波
与此同时，外面的物质还在往下坠。极速往下的物质，与往外爆裂的冲击波，形成一正一反的两股势力。这两股势力正面交锋，直接对碰。这境况，即使用最惨烈的词语来形容都只能显得苍白无力。这是地狱的搅拌机，烈焰的修罗场。最高温的烈火也许就是3000度吧，而这里的温度超过50亿度！这段过程内，鬼知道它经历了什么。请原谅我的词穷吧，对于此种我们凡人无法体会的状况，我大概只能说上这么一句：整个星都感觉不好了。
还有，请别忘了，向外冲击的还有一股不可忽视的力量：那就是电子和质子结合成中子时放出的大量具有极高能量的中微子。
中微子（效果图）
加上中微子的推波助澜，核心冲击波层层推进，终于突破到恒星表面，形成了摧枯拉朽之势不可挡杀人佛挡杀佛的猛烈爆炸。这爆炸猛烈得把恒星整个外层都爆掉了，爆炸的强度之大可以令外层物质以光速的10%的速度喷射出去！
猛烈的爆炸形成难以置信的亮度：它爆发的亮度等同于整个银河系的亮度！爆炸时释放出的能量等同太阳一生释放出的能量！这就是超新星（Supernova）！
超新星的绽放很短暂。它的光芒也许维持几个月，也许维持几周。当光华褪去，尘埃落定后，只剩下中心的孤零零的一颗中子星，发着诡异的脉冲光芒。
中子星
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Emmm，很震撼。那比铁重的元素呢？还有金子呢？金子在哪里？
不好意思，忘记了我们的主题是找金子。
让我们再来回顾一下：
大质量的恒星聚变到铁，停止了，靠聚变释放的能量没有了。向外扩张的能量无以为继，恒星不可避免地在引力的作用下进一步坍缩，直到把铁核的电子都压成一团乱麻。这时电子说，我要抗争！于是不相容原理产生了电子简并压力，顶住进一步的坍缩——暂时地。随后，恒星的质量实在太大，电子也顶不住了，它们被通通挤到原子核里头去了。原子核里静静等候的质子迫不及待地跟电子结合，成为中子。这时候恒星中心已经是一个致密无比的中子核了。继续下坠的物质碰到中子核，反弹向外形成巨大无比的冲击波，与继续下坠的物质搅成一块，然后还有中微子的推波助澜，鬼知道它经历了什么……
等等！不，科学家们知道它经历了什么！
在这个搅和得翻江倒海的炼狱之地当中，由于一下子产生了极其大量的中子，这些高能中子到处碰撞，有些被原子核快速吸收。中子不带电，因此很容易被原子核俘获。这下好了，原子核里的中子一下子塞得满满当当。
这时候又发生了另一件奇异的事情：由于原子核的里中子太多，一部分中子变性——衰变了。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子，最后成为了一个质子。这相当于原子核的原子序数增加了，个中意义，你懂的：
元素升级了。
R过程
重元素吸收中子，令自身变成更大质量的同位素，然后发生中子衰变，生成了原子序数下一位的新元素。依次反应，于是更重的元素就被不断地生成出来了。铁就会逐渐变成铜，变成锌，变成银，变成金，……，以及变成铀。
比铁重的元素就是这样在超新星爆发的过程当中生成。这些重元素随着爆炸的过程抛洒到宇宙之中。
重元素随着爆炸的过程抛洒到宇宙之中
这个形成重元素的过程叫做R过程（r-process）。R是快（rapid）的意思，因为过程内能快速获得中子。
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1054年。中国，宋朝。
那一年，京城有一位司天监官员看到一个奇异天象，他忠实地把它记录下来：
伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。谨案《黄帝掌握占》云：客星不犯毕，明盛者，主国有大贤。乞付史馆，容百官称贺。诏送史馆。嘉祐元年三月，司天监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
这话说得很明白一看就懂对吧。
呵呵
至和元年五月己丑日（公元1054年7月4日）早上发现一颗客星从东方出现，在天关这处星区，白天就能看到，亮度和金星差不多，颜色是赤白色，光芒还有芒角出来，足足出现了23天。
致和元年七月二十二日，这位叫做杨维德的天文官员说：在伏天看到一颗黄色的客星出现，根据《黄》一书的记载：客星没有出现在二十四宿的毕宿，客星光芒还很亮，意味着国家会有大贤人出现。于是皇帝很开心的把这个记录记载在史书里，百官都出来祝贺这一个好消息。
一千年过去了。到了现在，我们再往古籍里提到的那个天区中再去瞅它一眼。现在它变成了这个样子：
蟹状星云高清
这就是著名的蟹状星云。一千年前超新星爆发留下的遗迹。
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在银河系中，平均每过50年才有一颗超新星的爆发。如果是在银河系的中心或另一侧，基本上都很难发现。从1604年至今的四百多年中，天文学家们都没有发现银河系中的超新星爆发现象。
在历史上，人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星只有6颗。随着科技发展，现代能够观测到更远范围的超新星。离我们最近的超新星是发生在公元1006年的SN1006，人们甚至能够借助它的光芒在夜晚阅读（记录于我国北宋时期）。它的距离大约为3500光年。它也同时是最亮的超新星。而离我们远的超新星，距离可以超过100亿光年。
超新星SN1006
超新星爆发，这是宇宙中最艳丽的烟火，更是宇宙中最耀眼的光辉。它一次发出的光芒就等于整个银河系的亮度，一次释放的能量就等于太阳一生所发出的能量。
重元素就在超新星的爆发过程中形成，并随着爆炸抛散于宇宙中：金银铂铱，铜锡铅铀……它们中有些为新恒星的诞提供原料，有些形成了岩石星球的基础，有些则融入了我们身体，成为我们的一部分。
当你把金饰戴在你最爱的人身上的时候，你也许没有意识到，这些金子是经历过怎样的炼狱，受了多轰烈的爆炸，流转了多少时光，穿越了多少光年，最后才来到你的手中，才戴在你爱的人身上。
那是宇宙的回响。
穷途末路都要爱
不极度浪漫不痛快
那是永恒的纪念。
发会雪白
土会掩埋
思念不腐坏
那是恒星的灵魂。
到绝路都要爱
不天荒地老不痛快
不怕热爱变火海
珍惜吧。
爱到沸腾
才
精
彩
——信乐团《死了都要爱》
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至此，花费了四期文章，总算弄明白了金银是从哪里来了。看似极简单的问题，背后却隐藏着深奥无比的道理。宇宙之奇妙真是令人叹服！
接下来，我们继续探讨一个更简单的问题。不知道它背后会不会又藏着什么猫腻。
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----------------- P.S.的分隔线 -------------------
- 超新星Supernova，super=超，nova=新（拉丁文）
- 能演化成超新星的质量需要到达太阳9倍到20倍，也有说8到25倍
- 本文提到的是II型超新星，另一种也很典型的超新星是Ia型超新星，本文从略
- 对应与R过程，重元素形成还有另一个途径叫S过程（s-process），本文从略
- 蟹状星云的中国古代记录来自《宋会要》卷五十二：至和元年七月二十二日，守将作监致仕杨维德言：伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。
感谢您阅读至此。送上超新星计算机模拟图：
计算机模拟超新星爆发
下期见。
下期剧透：
夜空童话（七）：夜空为何漆黑
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