有一点不得不澄清:高质量的恒星不是唯一可以爆炸的品种。如太阳一样质量较小的恒星虽然缺乏产生内核塌缩的条件,但是内核塌缩并不是引起恒星爆炸的唯一原因。
在高质量的恒星中,氦原子通过聚变反应形成碳原子和氧原子。但在低质量的恒星中,这个过程不会发生:没有足够的压力和温度促成内核中氦的熔合。因此,恒星的内核会不断累积氦原子,形成一个高密度的球。前面提到过,非常多的同质颗粒被高强度地挤在一起时会产生奇特的量子力学状态——简并。随着氦的堆积,简并不断增强,温度开始迅速上升(当然,还是不足以把氦熔合为碳和氧)。
我们在前面还提到过,低质量的恒星会扩张、冷却,变为一颗红巨星。如果质量足够大,氦会熔合为碳,碳堆积到一定程度再开始新的熔合。如果恒星不具备熔合碳所需的质量要求,熔合的过程就告一段落了。
但是,红巨星的生命还没有完结。当聚变反应在内核中热火朝天地进行时,恒星的表面是另一番场景。随着体积的不断增加,恒星表面的万有引力迅速下降,那里的气体受到的束缚越来越小。与此同时,恒星的亮度也在剧烈增加,表层的气体吸收了来自内核的能量后,得到一个向外的动力。这个动力可以轻松克服已变得很弱的万有引力,大批气体开始逃离恒星表面,射向太空。
密集的气体流从恒星射出,天文学家称其为“恒星风”(stellar wind)。红巨星“吹”出的恒星风非常浓厚,在几千年内就可以把恒星的外层全部抽干。和它的自身生命周期比起来,这段时间非常短,可就是在这几千年里,红巨星失去了将近一半的重量。
当这种情况出现,简并的内核最终将暴露在太空中,它们被称作“白矮星”(white dwarf)。虽然它可以承载整个恒星的重量,但是由于密度太高,它的个头比地球还小。白矮星表面的万有引力很强,强到让人难以想象(是地球表面引力的成百上千倍),一立方英寸的白矮星重达数吨,就像把几辆汽车压缩在一个糖盒里一样。
在外层的气体以恒星风的形式脱离后,坚守在星云中心的就是高度压缩的白矮星。它的温度相当高,射出的紫外线给不断扩张的气体以能量,使它们发光。从地球上看,这些星云很神秘,闪着幽灵般的绿光(因气体内所含的氧气所致)。由于它们和从接目镜中看到的遥远的行星很像,天文学家称其为“行星状星云”(planetary nebulae)。但是这个名称并不是很恰当,它们其实只是中等重量的恒星垂死的“喘息”,有一天太阳也会经历这一阶段(在这就不制造不安了,但要提醒你,后面有一章专门讨论这个问题)。
从此往后,这个恒星的生命会相当单调。最终,气体扩散而去,进入恒星之间孤独冰冷的空间。再过数十亿年,白矮星冷却,变暗,简单地了结此生。
不过,对于部分白矮星来说,故事还没有结束。
天空中的恒星大约有一半处于双星或多重星系统之中;这些恒星由于相互间的万有引力聚在一起。设想一下,两颗和太阳相仿的恒星组成一个双星系统,它们各自按照特定的轨道运行。由于质量略高于它的伴星,其中一颗恒星“衰老”得更快一些。它先是变为一颗红巨星,随着外层气体的不断流失,最终成为一颗高密度的白矮星。
另一颗恒星也会经历相同的过程。不过,当它扩张成红巨星时,它的伴星已经变为一颗具有相当强的万有引力的白矮星了。如果白矮星与这个红巨星离得很近,它的万有引力能够把红巨星上的物质“偷”过来。转移的物质是主要成分为氢的气体,它们不断落到白矮星的表面,就像地上的雪越积越厚。
事情由此变得有些难以预料。白矮星的引力相当强,在其表面堆积的物质将被剧烈压缩。如果伴星的物质来得太快,它们就会在一个点上堆积,随着压力的迅速上升,堆中的氢会在瞬间发生聚变反应,释放能量,就像引爆核弹一样——只是在这个过程中释放的能量是整个太阳能量输出的1万倍!
当白矮星表面积累的物质摆脱强大的万有引力向外飞出的那一刹那,会发出一道强烈的闪光。就像吃得太多太快后打嗝一样,白矮星的压力得到释放,平静下来后,物质重新堆积,循环重新开始。
这个过程释放出的能量对于人类来说是相当巨大的,但是和超新星比起来就小得多了,因此,这个事件被简称为“新星”(nova)。白矮星基本上不会受到爆炸的影响——喷出物质的质量仅仅是地球质量的几百倍,是恒星质量非常小的一部分——因此只要红巨星能够“供养”白矮星,这个循环就会不断重复。
不过,如果两颗恒星的距离远一些,红巨星的物质比较缓慢地流向白矮星,情况就大不相同了。气体不会在一点迅速累积并爆炸,而是在白矮星的整个表面铺开,形成一个惰性的“氢壳”。这次就不会“打嗝”了,物质散得很开,在白矮星的整个表面越积越厚。不过,当物质堆积到一定程度,最终还是会到达聚变反应的触发点(flashpoint)。
要是这样的话,氢就不仅仅是在一个点上发生聚变反应并射出“一道闪光”那么简单了,它将覆盖到整个恒星的表面,等到时机成熟再大范围地爆发。这种爆发释放出巨大的能量,而且爆炸的方向除了向外还会向着白矮星内部,破坏恒星自身的结构,引发一场极大规模的浩劫。整个恒星像核弹一样被引爆(只是这个核弹有地球那么大),确实是一场灾难:这颗恒星变成超新星了!
巧合的是,虽然物理过程迥然不同,但是上述事件(称为Ⅰ型超新星)释放的总能量和由一个高质量恒星形成的超新星(称为Ⅱ型超新星)释放的能量非常接近。事实上,它们看起来非常像,天文学家们花了相当长的时间才把两个事件彻底区分开。不过,它们还有一个共同点:如果离我们很近,都很危险。
这两类事件较大的一个区别就是它们射出光线的种类:Ⅰ型超新星射出的X射线和伽马射线要比Ⅱ型超新星多。这意味着即使它们离得很远,同样可以对我们造成伤害。我们知道,目前还没有临近的Ⅱ型候选者。那么,Ⅰ型呢?
值得庆幸的是,答案也是没有。不过——总是会有“不过”——有一个带有白矮星的双星还是值得关注的,它就是夜空中最亮的恒星:天狼星。天狼星距离地球只有9光年。从宇宙的范畴看,它就“坐在我们的腿上”。
作为主星的天狼星A,是一颗普通的恒星(也就是说,像太阳一样在内核把氢聚变为氦),重量大约是太阳的两倍。绕它运转的天狼星B,是一颗质量和太阳相仿的白矮星。有一天,天狼星A会变为一颗红巨星,天狼星B会从它身上汲取营养……幸好,天狼星B与天狼星A离得很远,不会以引发爆炸的速率供养天狼星A。而且,天狼星A大概还要经过数千亿甚至数万亿年才会变成一颗红巨星。就我们所知,除了天狼星,附近再没有其它的Ⅰ型候选者了。
所以,你可以再一次长出一口气了。我们似乎也不会受到这种超新星的威胁。