1987年2月23日至24日晚，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿（Ian Shelton）在智利安第斯山脉的拉斯坎帕纳斯天文台工作。值夜班的一位助理走出办公室，漫不经心地瞥了一眼漆黑的夜空。他对天象十分熟悉，很快便发现了一些不同寻常的事情。那片被称为大麦哲伦星云的边缘有一颗恒星，它不是特别亮，与猎户座带上的其他恒星相差无几，关键的问题是，前一天它并不在那里。

这位助理成功地将谢尔顿的注意力吸引到了这颗恒星上。几个小时之内，这个消息就传遍了全世界。谢尔顿和助理发现了一颗超新星。这是自1604年约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）记录下一颗超新星之后发现的第一颗肉眼可见的超新星。好几个国家的天文学家立即开始用仪器捕捉大麦哲伦星云上的这颗超新星——1987A。在随后的几个月里，天文学家观测并详细地记录下了这颗超新星的运行轨迹。

就在谢尔顿做出惊人的发现之前的几个小时，人们在一个不同寻常的地点——位于日本神冈地下37层的锌矿里，发现了另一个不同寻常的事件。长久以来，一些物理学家在这里做着一项雄心勃勃的实验，目的是测试质子（物质的基本构成成分之一）的最终稳定性。20世纪70年代发展起来的大一统理论预测，质子可能非常不稳定，偶尔会衰变成某种异乎寻常的放射性变种。如果是这样，它将对宇宙的命运产生深远的影响，我们将在后面的章节中讨论这个问题。

为了测试质子的衰变，日本实验人员往一个水箱中注入了2 000吨超纯水，并在水箱周围放置了高灵敏度的光子探测器。探测器的工作是记录可能由个别衰变事件产生的高速产物的闪光信号。为了减少宇宙辐射的影响，实验选择了在地下进行，以防探测器被虚假事件淹没。

1987年2月22日，探测器在数秒内突然被触发了至少11次。与此同时，在地球的另一边，俄亥俄州一个盐矿中的探测器也记录了8次类似事件。19个质子同时自行消失，这种大规模的事件是不可想象的，肯定事出有因。物理学家很快就发现，他们的设备记录了另一种更传统的过程对质子的破坏，该过程就是中微子的轰击。

中微子属于亚原子粒子，在我的研究中至关重要，所以我有必要先详细介绍一下。1931年，奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）首次提出了中微子存在的观点，以解释被称为β衰变的放射性过程中产生的一个问题。在典型的β衰变过程中，中子会衰变成质子和电子（质子变成中子，并释放电子）。电子是一种相对较轻的粒子，飞走时携带了巨大能量。问题是，在不同的衰变过程中，电子似乎带有不同的能量，比中子衰变的总能量要少一些。由于总能量在所有情况下都是相同的，而这里的最终能量和初始能量不相等，这种情况肯定是不正常的，能量守恒定律是物理学的基本定律。泡利提出，缺失的能量可能是被一种看不见的粒子转移走了。早期探测这些粒子的尝试都以失败告终。很明显，如果它们真的存在，一定具有难以置信的穿透力。由于任何一种带电粒子都很容易被物质捕获，因此泡利所说的粒子必须是电中性的，因此得名“中微子”。

尽管当时还没有人发现中微子，但理论家已经发现了中微子的很多性质，其中一个与中微子的质量有关。

当涉及快速运动的粒子时，质量的概念就显得很微妙。这是因为物体的质量不是固定的，而是随着物体的速度发生变化。比如，一个重1千克的铅球如果以每秒26万千米的速度移动，它的重量将会达到2千克。这里的关键因素是光速，物体的速度越接近光速，其质量就越大，并且质量的增加没有上限。由于质量会随速度发生变化，所以当物理学家谈论亚原子粒子的质量时，他们指的是亚原子静止时的质量。如果粒子以接近光速的速度运动，其实际质量可能是其静止质量的许多倍，在大型粒子加速器中，循环运动的电子和质子的质量可能是其静止质量的数千倍。

中微子的静止质量源自这一现象：β衰变事件有时会用所有的可用能量发射电子，不给中微子留下能量。这意味着中微子可以以零能量的状态存在。那么，根据爱因斯坦著名的方程式 E = mc ² ，能量 E 和质量 m 是相等的，所以零能量对应的是零质量。这意味着中微子的静止质量可能非常小，几乎为零。如果静止质量真的为零，那么中微子将以光速运动。无论如何，中微子很可能是以非常接近光速的速度运动的。

中微子的另一个性质涉及亚原子粒子的自旋方式。科学家发现，中子、质子和电子有自旋。这种自旋的大小有一个固定的值。事实上，这三种粒子的值都是相同的。自旋是角动量的一种形式，遵循角动量守恒定律，该定律是一个基本的能量守恒定律。一方面，当中子衰变时，其自旋必须保留在衰变产物中。如果电子和质子朝同一方向旋转，它们的自旋将相加，使中子的自旋增加两倍。另一方面，如果它们反向旋转，自旋将相减，两者之和为零。然而，无论是哪种方式，单独的电子和质子的总自旋都不可能等于中子的总自旋。但当科学家考虑到中微子的存在时，通过假设中微子具有与其他粒子相同的自旋，就会达到平衡。然后，三个衰变产物中的两个可以朝同一方向旋转，而第三个则反向旋转。

在没有探测到中微子的情况下，物理学家就已经推断出，它一定是一个电荷为零、自旋与电子相同、静止质量很小或者没有静止质量的粒子，与普通物质的相互作用非常微弱，几乎不会留下任何痕迹。简而言之，中微子是一种旋转的幽灵。在泡利推测出存在中微子大约20年后，中微子才在实验室中被明确地探测到。它们在核反应堆中的数量非常多，尽管它们难以捉摸，但还是偶尔会被探测到。

中微子的爆发与超新星1987A的发现差不多是同步的，毫无疑问，这不仅仅是一个巧合，科学家认为，这两个事件恰恰证实了超新星理论。事实上，中微子的爆发正是天文学家在超新星爆发事件中预期会出现的现象。

在拉丁语中，“新星”的意思是“新的”，但超新星1987A并不是一颗刚诞生的新恒星。事实上，这是一颗旧恒星在一次壮观的爆炸中的死亡。超新星出现在大麦哲伦星云的边缘，这是一个位于大约17万光年之外的微型星系。该星系离银河系非常近，就像银河系的一颗卫星。在南半球，人们可以用肉眼看到它，看起来就像一个模糊的光斑，但若想发现它的各个恒星，就需要大型望远镜。在谢尔顿发现超新星后仅仅几个小时，天文学家就已经确定是拥有数十亿颗恒星的大麦哲伦星云中的哪一颗恒星爆炸了。他们通过检查那片天空以前的照片底片完成了这一壮举。这颗受损的恒星是一颗B3型蓝超巨星，其直径大约是太阳的40倍，它还有另一个名字——桑度列克-69°202a（Sanduleak-69°202a）。

20世纪50年代中期，天体物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）、威廉·福勒（William Fowler）、吉奥弗莱·霍伊尔（Geoffrey Hoyle）和玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbidge）首次提出了恒星可能会爆炸的理论。若想了解恒星是如何遭此大难的，就必须了解它的内部运作原理。太阳是我们最熟悉的恒星。与大多数恒星一样，太阳似乎是不变的。然而，事实是，太阳深陷在与毁灭性力量的持续斗争中。所有的恒星都是由引力连接在一起的气体球体。如果引力是唯一的作用力，它们会因自身巨大的质量发生内爆，并在数小时内消失。之所以没有发生这种现象，是因为恒星内部压缩气体的压力的向外力平衡了引力的向内力。

气体的压力与其温度之间存在一种简单的关系。当固定体积的气体被加热时，压力通常会随着温度的升高而增加。相反，当温度下降时，压力也会下降。恒星内部有着巨大的压力，因为它的温度高达数百万摄氏度。热量是在核聚变反应中产生的。在恒星整个生命周期的大部分时间内，为恒星提供能量的主要反应是通过核聚变将氢转化为氦。这个反应需要很高的温度才能克服作用于原子核之间的电斥力。核聚变能可以使一颗恒星维持数十亿年，但燃料迟早会耗尽，到那时，反应堆将会萎缩。当这种情况发生时，压力支撑岌岌可危，恒星将会失去与引力进行长期抗衡的压力。恒星会通过封存其燃料储备来避免引力坍缩，但从恒星表面流向太空深处的每千瓦能量都会加剧其终结的速度。

据估计，太阳上的氢能够燃烧大约100亿年。现在，太阳大约50亿岁了，已经消耗掉了将近一半的储备能量（暂时不必惊慌）。恒星消耗核燃料的速度与其质量密切相关。较重的恒星燃烧速度要快得多，因为它们更大、更亮，因此会释放出更多的能量。额外的质量会将气体压缩至更高的密度和温度，从而提高熔融反应速度。比如，一颗具有10个太阳质量的恒星会在1 000万年内燃烧掉其大部分氢。

我们来看看大质量恒星的命运。大多数恒星最初主要由氢组成。氢的“燃烧”是通过氢原子核聚变发生的，氢原子核是单个质子，可以形成氦原子核，每个氦原子核由两个质子和两个中子组成。氢“燃烧”是最有效的核能来源，却不是唯一的来源。如果核心温度足够高，氦原子核可以聚变形成碳，而进一步的聚变反应会产生氧、氖和其他元素。一颗大质量的恒星可以产生超过10亿摄氏度的内部温度，使这一系列连续的核聚变反应得以进行，但释放的能量却在稳步减少。核聚变反应每锻造一个新元素，释放的能量就会下降一个等级。至此，核燃料消耗得越来越快，直到恒星的成分每月、每天，直至每小时都在发生变化。恒星的内部就像一个洋葱，每层都在以越来越疯狂的速度不断地合成化学元素。从外部来看，恒星的体积会膨胀得异常巨大，比整个太阳系的体积都大，成为天文学家所称的红超巨星。

核燃烧链终止于铁元素，铁元素具有特别稳定的核结构。实际上，通过核聚变反应合成比铁元素还重的元素会消耗能量而不是释放能量，因此当恒星合成铁原子核时，就意味着恒星的中心区域不再产生热能，此时引力必然会占尽上风。恒星在灾难性的不稳定边缘摇摆，最终落入自己的引力坑中。

这就是恒星内部发生的事，发生的速度很快。恒星无法通过核的燃烧产生热量，无法支撑其自身的质量，在引力作用下强烈收缩，直至原子都被压碎。最终，恒星核区达到原子核的密度，在该密度下，一个顶针的体积将能容纳近万亿吨的物质。在这个阶段，受损恒星内核的直径有200千米，核物质的坚固特性会引起恒星内核的反弹。如此强大的引力使得这个巨大的反弹过程只需要几毫秒。当这种巨大的变化在恒星内核展开时，周围的恒星物质层就会在一次突然的灾难性震动中向内核坍缩。在以每秒数万千米的速度向内移动的过程中，数万亿吨的内爆物质遇到了反弹的高度紧凑的内核，比钻石还要坚硬。接下来发生的将是一场剧烈的碰撞，一股巨大的冲击波从恒星内部向外发射。

伴随着冲击波的是巨大的中微子脉冲，它在恒星最后的核转变过程中突然从恒星的内部区域释放出来。在这个转变过程中，恒星中原子的电子和质子被挤压在一起形成中子。恒星的内核实际上变成了一个巨大的中子球。冲击波和中微子一起通过恒星的上覆层向外输送大量能量。当吸收了大部分能量后，恒星外层会在无法想象的、剧烈的核大屠杀中爆炸。在接下来的几天中，这颗恒星会以100亿颗太阳的强度发光，几周后才逐渐消失。

在银河系这样的典型星系中，超新星平均每个世纪会出现两到三次，这些超新星都被天文学家记录在册，其中最著名的一个超新星是由中国和阿拉伯观察家在公元1054年发现的。今天，这颗破碎的恒星看起来就像一团不规则的膨胀气体云，又被称为蟹状星云。

当超新星1987A爆发时，不可见的中微子的闪光照亮了宇宙。这是一种惊人的脉冲，即使距离爆炸有17万光年远，地球上每平方厘米还是会被1 000亿个中微子穿透。安居乐业的地球居民没有意识到，他们竟然被来自另一个星系的数万亿个粒子瞬间穿透了。位于神冈和俄亥俄州的质子衰变探测器阻止了其中的19个中微子，如果没有这个设备，它们将会像1054年那样被忽视。

尽管超新星爆发意味着恒星的死亡，但爆发本身是具有创造性的。巨大能量的释放非常有效地加热了恒星的外层，因此在短时间内可能发生进一步的核聚变反应，这些反应可能会吸收能量而不是释放能量。除铁以外的重元素，如金、铅和铀，都是在最后的、强度最高的恒星炉中锻造的。这些元素连同在原子核合成早期阶段产生的较轻元素，比如碳和氧，都被炸入太空中，与无数其他超新星的残骸混合在一起。在随后的世纪中，这些重元素被吸收到了新一代的恒星和行星中。没有这些元素的产生和传播，就不可能有像地球这样的行星。赋予生命的碳和氧、银行中的黄金、屋顶上的铅板、核反应堆中的铀燃料之所以能在地球上存在，都要归功于一些恒星在濒临死亡时发出的“呻吟”，而这些恒星在太阳存在之前就已经消失了。谁能得到，组成我们身体的全部原材料都来自死去恒星的核灰烬。

超新星爆发并不会完全摧毁恒星。尽管大部分物质被分散，但引发爆炸的内爆核仍保留在原位。然而，它的命运也是危如累卵。如果恒星内核的质量太低，比如相当于一个太阳的质量，那么它将形成一个小城市大小的中子球。最有可能的是，这颗“中子星”将以极快的速度旋转，可能超过每秒1 000转，或者是光速的10%。它之所以会产生这种令人头晕的旋转，是因为内爆极大地放大了原恒星相对缓慢的自转；这与滑冰运动员收回手臂时旋转更快的原理相同。天文学家发现了许多这样快速旋转的中子星。但当物体失去能量时，旋转速度会逐渐减慢。比如，位于蟹状星云中间的一颗中子星的旋转速度现在已经减慢到了每秒33转。

如果恒星内核的质量稍大一些，比如有几个太阳的质量那么大，它就不能像中子星那样稳定下来。因为它的引力会非常大，即使是已知最坚硬的物质——中子物质，也无法抵抗进一步的压缩。这一阶段将是一个比超新星爆发更可怕、更灾难性的事件。恒星的内核继续坍缩，不到一毫秒，它就会消失在一个黑洞中。

一颗大质量恒星的命运就是将自身炸成碎片，留下一颗中子星或一个被扩散性喷射气体包围的黑洞。没有人知道有多少恒星已经以这种方式死去，仅在银河系中就可能包含数十亿个这样的恒星残骸。

小时候，我常常担心太阳会爆炸，但现在我知道它根本不会成为一颗超新星，因为它太小了。与庞大的表亲恒星相比，小质量恒星的命运要温和得多。首先，小质量恒星消耗燃料的核聚变过程会以更稳定的速度进行；位于恒星质量范围低端的矮星可能会稳定地发光一万亿年。其次，一颗小质量恒星无法产生足够高的内部温度来合成铁，因此不会引发灾难性的爆炸。

太阳是典型的质量较低的恒星，通过氢燃料稳定地燃烧着，并将内核转变为氦。就核聚变反应而言，氦主要位于不活泼的中央核区，而核聚变发生在内核表面。因此，恒星内核本身无法提供关键的热量，而这些热量足以支撑太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩，太阳必须向外扩展核聚变活动，以寻找新的氢。同时，氦内核会逐渐收缩。随着时间的流逝，这些内部变化会导致太阳的外观发生不易察觉的变化——它会膨胀，表面温度略降，变得更红。这种趋势将一直持续到太阳变成一颗红巨星，体积可能是现在的500倍大。红巨星是天文学家很熟悉的一类恒星，夜空中几个众所周知的明亮恒星，比如毕宿五、参宿四和大角星，都属于此类。红巨星阶段标志着小质量恒星死亡过程的开始。

虽然红巨星的温度相对较低，但它庞大的体积使其具有巨大的辐射表面，这意味着整体发光度更强。随着热通量的增加，约40亿年后，太阳系的行星将面临一个艰难的时期，比如地球将变得无法居住，海洋被煮沸，大气层被剥离。随着太阳越来越膨胀，它会吞没水星，然后是金星，最后将地球吞噬在其炽热的包围层中。我们的星球将变成灰烬，即使在焚化后仍顽强地围绕着轨道运行。此时太阳炽热气体的密度非常低，条件接近真空，因此对地球的运动几乎不会产生阻力。

我们之所以存在于宇宙中，是因为恒星（比如太阳）具有非凡的稳定性，它可以稳定地燃烧数十上百亿年之久，而其寿命足以使生命发生进化和繁衍。但在红巨星阶段，这种稳定性将被打断。像太阳这样的恒星，其生命中的后继阶段是复杂、不稳定和无规律的，其行为和外表的变化将非常迅速。老化的恒星可能会花费数百万年的时间来脉动或脱离气体外壳。恒星内核的氦可能会被点燃，形成碳、氮和氧，从而提供能让恒星维持更长时间的重要能量。一旦外壳被抛入太空，恒星便不再继续剥落，最后露出的是碳氧内核。

在这一复杂的活动期之后，中、低质量的恒星会不可避免地屈服于引力并开始坍缩。这种坍缩是无情的，一直持续到恒星被压缩到一个小行星的大小，变成天文学家所称的白矮星的天体。因为白矮星非常小，所以它们非常暗淡，尽管它们的表面温度可能比太阳高得多。如果没有望远镜，我们在地球上根本看不到它们。

太阳注定会在遥远的将来变为白矮星。当太阳到达那个阶段时，它还能继续保持高温数十亿年。到那时，太阳庞大的体积将被压缩，它将比最著名的绝缘体更有效地捕获内部热量。然而，由于太阳内部的核熔炉将永远关闭，因此就没有燃料储备来补充缓慢泄漏的热辐射进入冰冷的太空深处。曾经非常强大的太阳留下的矮小残骸会非常缓慢地变冷变暗，直到最后开始变形，逐渐凝固成一个非常坚硬的晶体。最终，它会完全消失，并安静地消失在太空的黑暗中。 Gi+vDcVcK+FcNQ/7jdkQqzho1HbIoxZ9hyNDktYS8LaemFv1dLqIcpDcZhhiMFjw