终于到了揭开真相的时候了。
在巨大的恒星内核,铁元素已经积累得差不多了,对恒星的死刑判决书也基本上写好了……
直到这一刻,内核还一直扮演着能量源的角色;现在,它改变主意了。
记得吧,核聚变产生的能量是对抗恒星自身万有引力的主要功臣。参与对抗的还有内核中浩如烟海的电子。正常情况下,电子绕着原子核运动。不过,在恒星内核,条件比较特殊,超高的温度和超强的压力把电子“解放”出来。而且一旦脱离了联系,电子就很难重新回到原子核身边了。
大批游离的电子被非常紧密地挤压在一起,独特的量子力学定律开始起主导作用。其中一种现象就是“简并”(degeneracy),这有点类似于同极互斥:如果非要把很多相同种类的颗粒挤在一起(不考虑极性),它们会奋起反抗。这种反抗为内核提供了重要的支撑。总的看来,简并和来自核聚变的新鲜热能“同心协力”,保住恒星不至于被自身的万有引力压扁。
问题是,简并只够维持一定量的引力。随着内核中铁元素的堆积,内核的质量会越来越大,万有引力也越来越大。当巨大的恒星内核的质量积累到太阳质量的1.4倍左右时,就达到了它的“倾覆点”。在这一点,简并不再起作用,它已无法维持如此高的质量。
在聚变反应的初级阶段,不会出现这种情况;“聚变链条”一环接一环地向下进行,新的元素不断产生,恒星的内核安然无恙。但是,铁元素不会再发生聚变反应,而且简并力也不再充足,两个保护机制全部失灵,内核再也无法承受自身强大的引力。毁灭性的一幕即将上演。内核崩溃……不过这可不像气球撒气那样还有一个渐变的过程。一旦巨大的恒星的内核塌缩,它会“突然垮掉”。
塌缩的速度难以置信:只需千分之一秒——毫不夸张地说,比眨眼还快——巨大的引力就会把原本直径达数千英里的恒星内核压缩到只有几英里宽。恒星物质下降的速度在45英里/秒以上。内核的温度迅速上升到十亿度。高能伽马射线相应出现,这些“邪恶”的光子能量极高,能够毁掉不幸被其撞到的原子核。这个过程称为“光解”(photo dissociation)。它们也能够摧毁内核中的铁原子核,把它们轰成氦原子核和自由的中子。事情也因此变得更加糟糕(如果你能想象的话),因为这会吸收部分原本用来抵抗引力的能量,加速崩溃的过程。
内核一旦被“攻克”,整个恒星就基本“沦陷”。因为内核支撑着恒星的外层,一旦塌缩了,对于外层来说就是现实版的大笨狼时刻(a real-life Wile E。Coyote moment):就像动画片中的人物一样,外层的气体突然发现自己在真空上方盘旋,经过片刻的停留后迅速掉了下来。内核的万有引力大得惊人,在其作用下,气体急剧加速,以接近光速的速度砸向塌缩的内核。
这个过程会产生一个巨大的“反弹效应”,进入的气体反转向上,从内核中吹出。虽然这种反转的范围很大,但还不足以引爆整个恒星;爆炸被暂时拖延,外层的气体再次落回内核。但恒星已暗中准备了一个更大的惊喜。
即使在最初的塌缩后,内核里还是有大量电子存在。塌缩产生的极高的温度和压力作用到这些电子身上,把它们与内核中的质子挤压在一起。一旦挤压成功,就会形成更多的中子。但在这个过程中,还有一种“副产品”,它们叫中微子,这对于恒星来说则意味着灾难。
中微子是极其微小的颗粒,它们可以穿过相当多的物质而不被吸收;对于它们来说,再稠密的物质也是“透明”的。它们从内核射出,携带着塌缩产生的巨大能量。这股能量是非常惊人的:基本上相当于太阳在整个生命周期中释放的全部能量!实际上,超新星事件中释放的绝大多数能量都是以中微子的形式出现的。我们看到的可见光虽然很刺眼,但整个加起来也仅仅占到总能量的微不足道的百分之一。
内核产生大量中微子:在大约1秒钟的时间里,158(1后面跟着58个)个亚原子颗粒从内核中咆哮而出。这正好和落入内核的外层气体吃力地反弹同时发生。就在巨大的反弹即将失败,所有材料都开始准备落回内核时,数不胜数的中微子向它们袭来。
虽然中微子能够穿过很多物质,但恒星的气体还是相当稠密的。另外,中微子的数量实在是太多了,不管怎样,其中的一部分还是被吸收了——就像你开车飞驰穿过一群小飞虫,无论它们怎么躲,在你的挡风玻璃上还是会留下一些尸体。
就算一小部分(可能是百分之一)中微子被气体吸收,结果也是非常严重的,因为这些气体因此获得了巨大的能量。
恒星即将毁于此。
这就像是在鞭炮厂点燃一枚炸弹一样。无比巨大的能量猛地进入恒星的外层,巨量恒星物质以每秒数千英里的速度向外飞出。这个事件规模宏大,即使其中的一小部分能量转化为可见光,我们也能清楚地观测到。
而且那还只是可见光。其它形式的光线——X射线,伽马射线,和紫外线——也从这个新形成的超新星倾泻而出。当震荡波掠过恒星的外层,压力和温度变得非常高,核聚变再次被激发。实际上,由爆炸产生的震荡波创造的条件比在恒星内核还要剧烈、还要充分,比铁更重的元素也可以产生核聚变。放射性元素如钴、铝和钛会掺杂在向外飞散的“碎片”内,它们在衰变的过程中将释放出伽马射线。这些本来温度就很高的气体,又吸收了新的热量,温度上升至几百万度,进而产生更多的X射线和紫外线。再有,各处的爆炸进程不一。一些物质会比其它物质更快地加速,它们之间难免会发生碰撞,产生更强烈的震荡波,就像扩散的物质中产生的声震(sonic boom)一样,这也会产生X射线。
总的来说,超新星的爆发猛烈、混乱。它是宇宙中最可怕的事件之一。