神奇的是,在大自然中存在着不止一种毁灭恒星的办法。两种恒星爆炸方式会产生数量大致相当的光线,所以在早年间超新星的类型曾经被混淆。Ⅰa型超新星源于爆炸的白矮星。但是其他的恒星会通过坍缩而爆炸。超新星也源于坍缩恒星的概念是由弗里茨·兹威基和沃尔特·巴德在1934年提出的。根据威廉·福勒和弗雷德·霍伊尔在1960年的阐释,8个太阳质量或者更重的恒星不会在恒星燃烧的末期变成白矮星,而是会以另一种不同的方式爆发。对于大质量恒星来说,爆炸的能量来源于引力而不是聚变反应。尽管大质量恒星拥有不同的演化历史、不同的结构,以及不同的爆炸能量来源,但是它们发出的光线却没有那么不同,所以我们花了数十年才将引力驱动的超新星与热核反应驱动的那些区分开。如果你想用恒星的光度来估计它的距离,这一区分就显得十分重要了。为了得到比较好的结果,你最好对同样的目标进行比较。如果你不能辨认出所有不同类型的超新星,你肯定会在距离的判断上出现错误。
大质量恒星比小质量恒星更快地耗尽它们的燃料。一个10倍太阳质量的恒星有10倍的燃料,但是却以10,000倍的速度进行燃烧,从而可以比太阳明亮10,000倍,而会以1000倍的速度耗尽它的核能源。数量是很重要的:10倍太阳质量的恒星的1000万年寿命与太阳的100亿年寿命区别很大,这和10元纸币和1分钱之间的区别一样。对于一颗恒星来说,1000万年显得十分短暂。
尽管大质量恒星的生命十分短暂,但是它们活得更加彻底。它们可以从由碳和氧到硅和硫再一直到铁的一系列核聚变反应中榨取能量。虽然此时恒星中的大部分仍然都是未燃烧的氢,但是这些有趣的东西深深地埋藏在恒星的核心,在这里存在着氦元素和更重的原子核。氢燃烧的剩余产物是氦,氦燃烧产生的灰烬则是碳和氧,氧燃烧产生硅附近的元素,而硅的聚变则很接近聚变反应的尽头:铁。核合成每个阶段的产物包围着铁核,就像树木的年轮一般,与此同时,恒星的核心残酷无情地继续着它走向毁灭的脚步。
在铁核不断积累的那个点,一颗大质量恒星就像一个拿着信用卡的年轻人。它有一个巨大的外流,但是铁核却无法作为维持平衡的能量来源——对于一颗恒星来说,那是抵抗重力向内的无情拉力的压力平衡。在低质量恒星内,量子力学的干预使得1.4倍太阳质量的冷碳氧核不会坍缩,但是大质量恒星则是通过热气体的压力来平衡引力。当核心收缩的时候,重力以开尔文勋爵所设想的那种方式转化成热能,于是核心的温度不断升高。
在早一些的燃烧阶段,当大质量恒星点燃碳的时候,每到达一个更高的温度都会点燃一种新的燃料,它释放的能量会保持一个新的平衡阶段,如果这个平衡阶段有期限的话。当核心变成铁的时候,这个过程就终止了,因为我们不能从铁产生更重的元素的过程中获得任何能源。恒星会从核心中释放出巨大的能量,其中大部分都是以无力的中微子的形式释放的,它们不带电荷,也不会在碰到核子后弹开,所以它们自由地喷涌而出,而不会对外层的物质产生任何支撑作用。事实上,当中心温度达到30亿开尔文以后,铁核就开始重新融化成较轻的核子。
这个过程中不会产生任何新的能量,打碎铁核的过程反而需要花费能量。此时无可避免的事情终于发生了。大约2倍太阳质量,却只有半个地球大小的核心失去了压力的支撑,瞬间向内坍缩。在致密而微小的核心中,重力是如此强大,这个聚爆过程只需1秒钟就可以将铁核向内加速到大约1/3的光速。当向内猛冲的核心达到原子核密度的时候,强作用力突然终止了收缩过程,最内部的核心开始形成一颗中子星。这个突然减速的过程就像火车撞到一面墙那样剧烈,会发出非常强大的激波,溯流而上穿过整个聚爆的恒星,并且在中微子冲击波的帮助下,在一个Ⅱ型超新星(SNⅡ)中将恒星的外层弹射出去。
中微子只会大量产生于形成初期的中子星外部,大约在坍缩中心之外的100千米处。在Ⅱ型超新星,也就是大质量恒星的爆炸模型中,坍缩产生的大部分能量都是以中微子的形式传播开来的,只有大约1%的能量会变成爆发恒星的动能,另外只有大约1/10,000的能量会进入光线中,使得我们注意到这颗爆发中的恒星。尽管中微子不带电荷也几乎没有质量,但是中微子携带能量,并且冰雹一般迸溅的高能量中微子对促进恒星剩余部分的爆炸起到了至关重要的作用。爆炸恒星的计算机模型(经常在像洛斯阿拉莫斯和利佛摩这样的武器实验室中完成,它们对于突然释放的能量将物体炸开这种物理情形有着专业上的兴趣)显示,形成过程中的中子星外部的热气体能够为上至周期表末端的新元素的合成提供一个很好的场所。尽管由铁合成金需要消耗能量,但是形成初期的中子星外部的区域是由铁组成的,并且这里有大量来源于撕裂了整颗恒星的强大激波的能量。超新星可以将铁转化为金,将金转化为铅(噢!),并将铅转化为铀。比铁重的元素在自然界十分稀有,因为它们是在非常特殊的环境中生成的。
作为超新星爆炸的一部分,大质量恒星也会将它们未燃烧和部分燃烧的厚重外层喷发出去。所以源于大质量恒星的核坍缩超新星仍然会喷射出氢元素,如果这些恒星仍然有外层的话,并且在任何情况下都会有大量的氧和其他中等质量的元素。超过50亿年前爆炸的大质量恒星正是我们现在呼吸的氧气的来源。
20世纪30年代,弗里茨·兹威基和沃尔特·巴德开始了超新星的现代研究。他们在一个团队中合作,兹威基在加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工,而巴德就在滨湖大道1英里外的卡内基研究所的威尔逊山天文台的圣芭芭拉街办公室。巴德和兹威基新创了“超新星”这个名字,来与普通的新星进行区分。新星是白矮星表面发生的爆炸,它们要暗10,000倍,而且不会摧毁白矮星。超新星在我们的星系中很少能见到,但是当我们在含有许多星系的更大范围中搜寻的时候,它们就会变得更加常见而且要剧烈得多。尽管巴德和兹威基在一个传统的科学环境——一个美国物理学社区的会议上,讨论了这个理论的精华部分,但是最早最生动的发表版本是一个刊登在1934年1月19日的《洛杉矶时报》上的漫画。
这是兹威基的惊人洞见之一,也许仅次于他对星系团中的暗物质的发现。鉴于超新星和暗物质已经像气泡一般升至天文学浓汤的顶端,兹威基对天文学的影响也越来越大。弗里茨·兹威基逝世于1974年,由于一个博士学位需要5年来完成,所以已经有五代天文学家在成长过程中仅仅了解了这个传奇而非他本人。对于我们这些真的见过弗里茨·兹威基的人来说,比如一个清晨我在加州理工的罗宾森实验室的第二个附属地下室中与他不期而遇,时间也开始侵蚀我们的记忆,使得他过于凌厉的个性变得柔软起来。多少有一点吧。剩下的部分是与人无关的理论:在兹威基的例子中这使得钦佩他的工作变得更加容易了。
回过头来看,我们看到兹威基和巴德勇敢地将超新星爆炸的能量来源归功于一个信马由缰的想法:中子星的引力坍缩。并且,在这个洞见之后的一年,兹威基在巴乐马山建造了第一台望远镜,一台18英寸的施密特望远镜,用来跟进这个理论,从而可以用行动来支持他的言论。因为我们现在已经知道,实际上有一些超新星确实是由引力驱动的,并且真的留下了中子星,所以我们给予弗里茨·兹威基另一个大胆创见的荣誉。
真相远比传奇更加复杂。兹威基在加州理工工作,他开始了对超新星的系统研究,来检查他关于形成中子星的坍缩理论。1936年弗里茨·兹威基发现了一个超新星,1937年他发现了6个。那些年中兹威基和巴德研究的所有超新星都展示了非常相似的光谱和光变曲线。直到1940年,同样在威尔逊山工作的鲁道夫·闵可夫斯基才观测到了完全不同的超新星谱线。在那时,超新星被非常明确地分成两种类型:Ⅰ型,原来的类型,以及Ⅱ型,新的种类。
超新星生成中子星这一传奇般的洞见激发了兹威基自己在1936年和1937年对超新星的观测工作。但是,就像可以预料到的那样,幸运的是,所有这些超新星都是Ⅰa型——这种类型并不形成中子星。有些时候一个好的故事比事实更好。或者像新闻工作者在《双虎屠龙》中所说的那样,“当传奇成为事实的时候,我们就印刷传奇”。
图3.1 和老顽童博士一起“科学范儿”。弗里茨·兹威基在1934年发表的简洁的论文对引力坍缩的恒星的超新星爆发作为中子星的起源进行了大胆的猜测:“14英里厚的小球。”现在这被认为是Ⅱ型超新星的机制,尽管在1934年,兹威基谈论的是Ⅰ型超新星。版权归属于美联社。
Ⅰa型超新星的故事是十分复杂的,与简并白矮星和钝齿状的核子燃烧火焰相关,但是Ⅱ型超新星的机制,包含核坍缩、反弹和产生激波,看起来却全然像巴洛克风格那样过分修饰。我们怎么才能检验大质量恒星是否真的像洛斯阿拉莫斯和利佛摩的计算机预测的那样完成所有的步骤呢?我们完全无法在拉斯维加斯附近的沙漠中做一个超新星的可控检验。天文学是一门观测科学,这意味着我们需要耐心、好运,以及检验我们想法的很多条证据。
形成Ⅱ型超新星的大质量恒星变得成熟并最终爆炸的过程太过迅速,它们可能就在形成它们的气体和尘埃星云中爆发。在最靠近银河系的星系——大麦哲伦星云(LMC)中,有很多仍然活跃的恒星形成区域,包括巨大的剑鱼座30区域,在这里炽热的年轻恒星通过剥去周围气体的电子使之发光。LMC是我们星系周围环境的一部分——它是银河系的一个伴星系,但是仅在地球的南半球可见。LMC中最明亮的恒星拥有我们期望中大约20倍太阳质量的恒星的观测亮度。回到20世纪60年代,凯斯西储大学的尼克·桑度列克编译了一个LMC中亮星的列表。它们中的一个现在已经不在那里了。
这颗恒星,桑度列克-69202,最晚在1986年下半年仍被观测到明亮地闪耀着——作为LMC中的一颗大质量的蓝超巨星。但是那颗恒星在165,000年之前就已经爆炸了,超新星爆炸的辐射在世界时的1987年2月23日星期一的7:36到达了地球。这就是超新星1987A。
在任何人看到这颗恒星开始变亮之前,中微子——这些几乎没有质量也不带电荷的粒子,从超新星1987A正在形成的中子星中喷发出来,到达并穿过了地球,因为地球对中微子来说是透明的。
在智利北部的卡内基研究所的拉斯坎帕纳斯天文台,大约凌晨2点(世界时的2月24日星期二的5时),望远镜操作员奥斯卡·杜阿尔德从40英寸口径的斯沃普望远镜下来休息片刻,将天文学家们留在了数据室,走到楼下去为他的夜间咖啡煮开水。当咖啡壶温在炽热的金属板上时,他走出房间去看一眼夜空。那是个美妙的晴夜,在这种天气下天文学家可以测量恒星的亮度,而不用担心云层会污染数据,这是个被天文学家称之为“可测光的”夜晚。当奥斯卡看向南方,他看到了LMC的模糊团块。就在靠近剑鱼座30——LMC中的一个恒星形成区的地方,奥斯卡看到了一些新的东西,那是一颗他从未见过的明星。其他任何人都没见过。
他知道这个发现值得提醒观测者们,巴里·马多雷和罗伯特·杰德热哲乌斯基,但是当他走进控制室的时候,他们正好讲到一个段子的妙处。在他们解释为什么意大利人把惯用的英语转化成智利的西班牙语时特别滑稽的时候,奥斯卡完全忘记了这颗新星。巴里在音响系统里调高了回声与兔人乐队(Echo&the Bunnymen)作品的音量,然后他们都回去工作了。
伊恩·谢尔顿,一个在多伦多大学的望远镜工作的年轻加拿大天文学家,当时也在拉斯坎帕纳斯,他在凌晨4点走进了控制室,有点像第谷·布拉赫向“碰巧乘坐马车经过的小镇居民”寻求确认一样。伊恩在他的LMC的照相底片上,靠近剑鱼座30的地方发现了一个巨大的实点。在他早些时候的底片上相同的地方没有任何恒星。他走出房间并用肉眼看到了它,但是他仍然需要对这颗LMC中的超新星进行确认。
“哦,是的,”奥斯卡说道,“我看到了。两个小时之前。靠近剑鱼座30。我看到了。”
“一颗新星?”巴里是在LMC距离尺度上的专家,他想了片刻,在脑中进行了平方反比的计算。“不,”他说,“那应该是个超新星。”
这个事件就是超新星1987A,自从1604年以来观测到的最亮的超新星。
理论预测,核坍缩超新星的大部分能量都以几乎无质量也不带电荷的中微子的形式湍流而出。对于超新星1987A最有趣的一个观测不是用望远镜进行的,而是用地下水箱中大量的水,这个装置被设计用来判断质子是否是永恒的,还是只是非常长寿。这个实验期望于探测到质子在容器中的死亡所产生的光子的闪光,并且测量质子的有限寿命。这本可以很有趣,由于我们所看到的周围的物理世界都是由质子组成的。它本可以展示物质是短暂的——仅仅是自然所经历的一个相位。质子的衰变被称为大统一理论的有趣粒子物理学理论预测为可以将强力、弱力和电磁力统一到同一个理论框架内的过程。理论学家们是如此地具有说服力,实验学家们就在一个盐矿内部挖掘出一个房间并且建造了一个巨大的水箱,其中含有6000吨极纯的水,来确认这些预测。他们没有检测到这种衰变。就在能源部马上要砍掉他们的经费的时候,一束发射于恒星的坍缩核心的中微子穿过了他们的探测器。这是一颗诞生在超新星1987A核心深处的中子星发出的尖锐哭叫声。
当这个超新星由它的光学辐射而被发现的时候,报告被递到了布里安·马斯登那里,他是天文电报中央局的幕后人员。他的办公室离我大约200英尺远,但是我没有从他那里听说超新星1987A的事情。克雷格·惠勒从得克萨斯州给我打电话。一个得克萨斯的毕业生正在多伦多,在那里每个人都在谈论伊恩·谢尔顿的发现。这个学生给克雷格打了电话,然后克雷格给我打了电话。
“鲍勃,在大麦哲伦星云里有一颗超新星。”
“哈,哈,哈,克雷格·惠勒!骗过我一次,是你的耻辱;骗过我两次,是我的耻辱。”
9年之前,克雷格策划了一个恶作剧,他给当时正在意大利的一个遥远山村的我发了一条十分紧急的电话留言。“马上回来!M51中的明亮超新星。”这个假消息是这样说的。我当时正处于一次复杂的机票改签过程之中,克雷格和他的同伙却毫不怜惜地把我玩弄于股掌之中。我已经忘了吗?怎么可能!
“不,不,不。这个是真的!”
克雷格开始用大量的细节对我进行轰炸。我打断了他。
“克雷格,晚一些再告诉我这一切。也许我们可以用IUE来观察这个小东西。先挂断电话,我会看看我们是否可以让NASA继续做这件事情。”
IUE是国际紫外探测器,一个可以在地球大气不透明的紫外波段观测的灵活的小人造卫星。我已经递交了一个“可能的目标”的提案来观测任何可能出现的明亮超新星。鉴于这个是383年以来最明亮的一颗,我非常确定他们会接受我们的请求并将卫星对准1987A。但是我不想浪费任何时间,如果我们行动迅速,我们也许能看到来自膨胀中的炽热恒星表面的紫外线,就在来自恒星核心的强大激波刚刚爆发开来的时候。
当我的电话响起时,我正在查找戈达德太空飞行中心的电话号码。是近藤阳次打来的,他是位于戈达德的IUE项目科学家。阳次十分彬彬有礼,但是同时极其兴奋。他的心情极富感染力。
“鲍勃,早上好。”
“早上好,阳次。”我对着听筒微微鞠了一躬。
“也许你已经听说了关于大麦哲伦星云中超新星的事情。”
“是的,我刚刚和克雷格·惠勒通过话,他告诉了我这个事件的信息。”
“我们认为你可能会有兴趣进行一些观测。”阳次说道。
“是的,我认为那会非常有趣。”
“他们已经开始了。”
“浑蛋!”
我在这个项目中的合作伙伴,乔治·索恩本,一个戈达德太空飞行中心的NASA工程师,那时正在IEU控制台用IEU对超新星1987A进行这些非常及时的观测。我们的数据显示,这颗恒星的外层正在以30,000千米每秒的速度向外扩散,这已经达到了1/10的光速。在接下来的几周中,超新星冷却下来并在我们的紫外波段的视野中消散了,但是我们在发生爆炸的地方仍然看到了两颗明亮的炽热恒星。这很令人困惑。桑度列克-69202有一个已知的靠得很近的蓝色近邻。也许桑度列克的恒星和它较暗淡的邻居都幸存了下来,而那就是我们用IUE所看到的。也许这颗爆炸的恒星其实是大麦哲伦星云中拥挤的社区中的另一颗恒星。
在1987年的几周中,我都不确定桑度列克-69202是否真的蒸发了,我在公共场合中也是这么说的。斯坦·伍斯利,加州大学圣克鲁兹分校的一个超新星理论学家,并没有被说服。他的理论模型和观测事实符合得太好了。斯坦说:“如果那真的不是桑度列克-69202的话,这颗爆发的恒星也与它十分相像。”幸运的是,我并没有正式发表我的错误结论,尽管我已经和别人讨论了太多次,多到该被颁发一只填充了馅料并装饰着蔓越莓酱的烤乌鸦。对于旧数据的仔细测量发现,并非一个而是两个其他炽热的蓝色恒星在附近,隐藏在桑度列克-69202的光芒之下。IUE看到的就是这另外两颗恒星。事实上,恒星202已经消失了。尼克·桑度列克喜欢展示一个克利夫兰报纸的标题来得出结论,“桑杜列克爆炸!”这种错误确实不会对人类的认知造成永久性的伤害,特别是我们的观测“事实”并没有说服斯坦·伍斯利他的模型是错误的。但是这个经历我再也不想重复了。 [1]
1987年2月,在那个令人兴奋的周二,我那时刚刚从密歇根大学搬到哈佛。在密歇根的时候,物理学院有几个人参与了欧文—密歇根—布鲁克黑文实验来探测质子的衰变。由于他们仍然没有发现质子的寿命,我觉得我有责任打电话提醒他们可能会有来自LMC的超新星的中微子爆。我给密歇根物理学院打了电话。我遇到了一个奇怪的情形:我打给的每个人都在法国默里昂,在一个非常重要的宇宙学和粒子物理会议的滑雪度假村里。毫无疑问他们正在学习雪沫在物理学家的引力驱动下降中的作用。过了20分钟我终于发现没有人在家,所以我只是留了一条信息。
“这次不是关于质子的生命,而是你们生命中唯一的超新星——寻找中微子吧。”
幸运的是,中微子也在他们的矿坑中的数据记录仪器中留下了信息。在超新星的光学发现之前的几个小时,这个小组发现一个中微子闪光进入了水箱(并且穿越了整个地球!)。在日本有一个相似的探测器,之前在寻找太阳中心核反应所发射的中微子,它也观测到了同样的事件。有两个独立的测量可以让我们更加自信自己在观测的是一些真实的东西,而不是仪器中的噪声。
约翰·巴赫恰勒当时正从普林斯顿的高等研究院到哈佛访问。他来到我的办公室,想来聊聊超新星,顺便借个刮胡刀。他是那天早上到的,还没有刮胡子,他想在下午的物理讨论会之前把自己清理一新。约翰使我们获得了关于太阳中微子的令人困惑的测量的最新进展,测量结果显示只有预测值的1/3。约翰做了这些预测,他想说服我们这个差值是真的,而不是因为他可能遗忘了什么东西。就像他的刮胡刀那样。
我桌子里一直有个刮胡刀,因为我有时候会在智利的观测之后乘夜间的航班回来,这个时候难免会有些不整洁。约翰用了刮胡刀。胡子整洁头脑清醒之后,约翰开始思考有关超新星1987A、光学观测和中微子信号的问题。在这一天的最后,在和他在物理学院的朋友聊过之后,约翰给《自然》杂志写了一封信(这个科学杂志认为它是世界上最负盛名的),利用中微子到达的时序来给出中微子质量的严格限定,这个限制比1987年的任何地基实验工作给出的都要好。在1999年,巨大的地下水箱检测到了源于太阳核心以及太阳大气的太阳中微子,对这些中微子的测量暗示了它们的质量并不精确为零,这是一个粒子物理中的非常重要的事实,也是宇宙学中暗物质的一个很小的来源。
大麦哲伦星云中超新星1987A的爆炸是四个世纪以来研究大质量恒星坍缩的最佳时机。俄亥俄州和日本的地下探测器因为一束长钉一般的偶然的中微子爆而受到了震动,这是一颗中子星诞生于垂死恒星中心的信号。由于我们知道蟹状星云的中心有一颗正在旋转的中子星,这是一颗在1054年7月4日被中国宋朝的钦天监记录下来的超新星,我们可以很自然地想到超新星1987A中可能也有一个,所以急切的研究小组已经开始寻找在灾难中心旋转着的致密珍宝所发出的能讲故事的闪光。毫无疑问的是,1989年,一个由卡内基天文台的杰里·克里斯蒂安领导的小组,包括来自劳伦斯伯克利实验室的里奇·穆勒,卡尔·彭尼帕克和索尔·珀尔马特,报告了以37σ的可信度观测到了这个脉冲——所见过的最年轻的中子星的确实信号。
如果你会在5σ的时候用你的房子打赌,你也许应该在37σ的时候用你的生命打赌,但是没有人如此严肃地对待统计学。另外,事情有很多种出错的方式,而统计学并不能包含其全部。
我受邀于1989年4月在华盛顿的美国国家科学院进行报告。学者们经常邀请还不够资格成为科学院候选人,但是工作于有趣的新领域的人们去他们的日常会议来逗他们开心。那是我第一次走进那个科学的殿堂。我被学者们的高寿所惊呆了。科学研究肯定对人们的长寿很有好处(现在我已经是这个老年团体的成员很多年了,但是它的成员们都是一群老古董,这件事情让我感觉自己仍然是个孩子——也许这就是这些成员保持生命力的秘诀)。当我们走下楼梯去报告的时候,弗兰克·普莱斯——科学院的主席,比尔·普莱斯的父亲,我在哈佛的天文学同事之一,告诉我说他特别有兴趣想听到有关超新星1987A中心的令人惊奇的中子星的更多细节。根据克里斯蒂安等人在《自然》上发表的通讯文章,这颗中子星正在以每秒1968.629次的速率旋转,与之形成对比的是蟹状星云脉冲星从容的每秒33次。研究者说他们对于数据的进一步分析给出了一个诱人的暗示,这颗脉冲星可能正在以8小时的周期围绕一个看不见的伴星运转,也许是一颗行星。这是个出人意料而令人兴奋的发现。
然而,我令弗兰克·普莱斯失望了。我提到了脉冲星的数据,但是我并没有在报告中提及太多有关这个的内容,因为不像俄亥俄州和日本观测到的中微子,它看起来没有能够汇聚到一起使得科学结果更加可靠的独立证据。为了避免显得像个愚蠢的家伙,我觉得强调有趣而且真实的事情而忽略仅仅有趣的事情会更好一点。尽管这颗脉冲星在《自然》杂志上以很高的精度被报道了,但是它只在一个晚上被看到了,也就是1989年1月18日。在其他的晚上,同样的仪器和同样的分析都没能成功地探测到这个惊人的目标。通常来讲,如果一个东西是真实的,那么证据会随着时间越来越强。在这种情形下总是存在这种可能性,膨胀中的残骸的云层也许只允许我们对真实现象进行短暂的一瞥。当其他人尝试测量这颗脉冲星时,他们仍然什么都看不到。这是一个不好的信号。如果这东西是真的,使用相似仪器的其他小组应该能够测量到同样的东西。需要不止一个组来测量重要的东西,这已经不仅只是一个好主意了。这是问题的关键。
经过整个1989年,事情变得越发神秘了。原始的观测会不会有什么错误,尽管最初的测量的统计学看起来是如此的明确?最终,做出了这个测量的小组查清了真正的原因,原来是他们自己的问题。这个看起来如此确定是超新星1987A中心的旋转中子星迹象的信号其实是,唉,产生于在数据采集期间引导望远镜的电视摄像机的电路。在这个小组做出这个“发现”的那个晚上,当他们拍摄超新星数据的时候这个电视摄像机开着,但是随着黎明的到来,他们在拍摄校准数据的时候为了防止损坏敏感的电视摄像机而将它关上了。所以这个信号存在于超新星的测量中,却不在他们用于检查虚假噪声的校准数据中。哦!有很多方法可以得到错误的结论。科学最伟大的事情就是,当你自己愚弄自己的时候,最终大自然会告诉你真相。真正的目标可以被重复测量,或者被其他人测到——虚假的信号终究会被筛选出去。
所以,在超新星1987A的中央到底有没有中子星呢?我们仍然不得而知。尽管中微子信号正是被预言为来源于正在形成的中子星,我们仍然没有任何清晰的证据表明在超新星遗迹中有中子星。
有一种可能性是内部的残骸有一些落回到了中子星上,并且将它推到了这些天体的上限之上(大约3个太阳质量的某处)。在这种情况下,重力会取得决定性的胜利,恒星核心会坍缩成为黑洞。黑洞是空间中的一个区域,在这里引力强大到连光线都无法逃脱。尽管如此,看不见的目标也可以有一些可观测效应——黑洞可能会吸引一些我们可以测量的物质在围绕着它的轨道上旋转。
图3.2 超新星1987A。超新星1987A所在位置的空间望远镜图像,拍摄于10年之后。爆炸的恒星本身是明亮内环中心的圆点,被爆炸中产生的放射性元素的衰变所加热。内环来自前超新星恒星所损失的气体,被爆炸产生的光线所激发并一直闪耀着光芒。这个圆环是国际紫外探测器在1987-1988年所观测到的辐射的来源。版权归属于P.查利斯和SINS合作小组,哈佛-史密松天体物理中心/NASA/STScl。
在10年之后,超新星1987A爆炸的位置仍然可以用哈勃空间望远镜(HST)来进行研究。我的研究小组,超新星深入研究小组(SINS),从HST发射升空就一直在观测超新星1987A。那颗20个太阳质量的明亮恒星,桑杜列克-69202,已经确信无疑地消失了。在这个地方,爆炸的白热遗迹仍然清晰可见。从地面上研究超新星1987A是十分困难的,因为从两颗长寿的近邻恒星(就是这两颗星在1987年给我造成了一堆伤心事)发出的光芒污染了来自超新星的光。这些近邻恒星是超新星如今亮度的100倍,从地面上看来,大气的模糊效应将它们变成了很大的光斑,遮挡了超新星本身。如今爆炸恒星的残骸已经比1987年奥斯卡·杜阿尔德在智利用肉眼看到它时暗了1000万倍。它仍然是白热的,因为爆炸产生了新鲜的元素,有一些仍然在以放射性物质的形式继续激发着残骸。超新星1987A如今的能源就是放射性钛元素的衰变,这将会使残骸继续发光数十年。但是由哈佛大学的本科生珍妮·格雷夫斯为了她的本科毕业论文进行的,对于SINS小组拍摄的超新星1987A的图像和光谱的仔细检验,并没有显示出来自任何中央致密目标的辐射。
尽管没有任何人活了这么久,能写下记录让我们能够追溯到仅仅几千年前,但是我们现在已经对于恒星在数亿年的时间尺度下如何变化有了一个很好的认识。它们用轻核合成重核,并将产物喷发到星际空间的气体中去。这便成为了产生更加富含元素的新一代恒星的材料。所有这些恒星的变化都发生于星系之中,而这些星系则是一个演化中的宇宙的一部分。
[1] 我的文章《超新星——恒星的死亡》(“Supernova—Death of a Star”)发表于National Geographic 173,618(1988),是一篇有着Roger Ressmeyer的摄影作品的对超新星1987A观测的带有丰富插图的报告。但是如果你想要对我错误地考虑桑度列克-69202的逢场作戏进行幸灾乐祸,这被Robin Bates生动地编年记录在他的新星纪录片《恒星死亡》(“Death of a Star.”)中。这个视频可获得于波士顿的WGBH,网址为http://main.wgbh.org/wgbh/shop/wg1411.html
一部极好的大众水平的关于超新星、特别是超新星1987 A的纪录片,是Lawrence Marschall的《超新星的故事》(“The Supernova Story”),Princeton University Press, Princeton, NJ.1994。