趙映輝

大麥哲倫云在銀河系之外，是離我們最近的一個河外星系，距離50千秒差距，約合16萬光年。它在天球上的投影在南天極附近，遠(yuǎn)離恒星密集的銀道帶，受銀河系星際消光影響很小，具有比處在銀河系內(nèi)的天體更優(yōu)越的可觀測條件。這樣，大麥哲倫云超新星SN1987A就成為第一個在光學(xué)、紅外、紫外、射電、X射線和γ射線各個波段均有觀測資料的全波段探測的超新星。超新星是罕見的天象，其誕生率和所屬的星系及其質(zhì)量有關(guān)。像銀河系這樣的巨型旋渦星系，平均每幾十年就有一次超新星爆發(fā)。大麥哲倫云是一個矮星系，其質(zhì)量僅及銀河系的1／10。它的超新星誕生率比銀河系小得多，平均每1000年出現(xiàn)一次。

1987年2月23日夜，設(shè)在智利的美國拉斯坎帕納天文臺的兩位天文學(xué)家和新西蘭奧克蘭的一位天文愛好者各自獨立且都是不期而遇地發(fā)現(xiàn)了出現(xiàn)在大麥哲倫云中的超新星，隨即它被命名為SN1987A。次日，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文電信中央局向世界天文臺站和機構(gòu)發(fā)出電傳和電報，通報了這一罕見天象的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，SN1987A的視亮度正從6星等上升到5星等，并繼續(xù)增亮至4星等，正逐步演變成大麥哲倫云中最亮的天體。最初的分光觀測確認(rèn)了這個驟然增亮的爆發(fā)天體是一個富氫Ⅱ型超新星。接著，許多天文學(xué)家紛紛飛往南半球的天文臺，運用一切手段對SN1987A進行了連續(xù)地跟蹤觀測。

對比SN1987A爆發(fā)后的觀測資料和爆發(fā)前該天區(qū)的照相天圖和光譜檔案，科學(xué)家得知爆發(fā)前該天體是一個藍(lán)超巨星SK－69202。爆發(fā)成為超新星之前，它的亮度為12.3星等，表面溫度達16 000K，比太陽亮110 000倍，半徑比太陽大40倍，質(zhì)量是太陽的19倍。這一認(rèn)證引起了天文界的極大興趣和關(guān)注。因為，在此之前，現(xiàn)代公認(rèn)的超新星爆發(fā)機制認(rèn)為，Ⅱ型超新星爆發(fā)前的天體是大質(zhì)量的紅超巨星。然而，SN1987A事件卻表明，大質(zhì)量的年輕恒星還可能先在紅超巨星階段就寧靜地以星風(fēng)形式拋射掉氫外殼，演變成藍(lán)超巨星，然后再爆發(fā)成Ⅱ型超新星。1988年，SN1987A爆發(fā)一年之后，人們真的觀測到爆發(fā)前天體拋射到星周空間的恒星物質(zhì)以環(huán)狀反射回光，從而證實上述的紅超巨星先演變成藍(lán)超巨星，再爆發(fā)的推論。

按照Ⅱ型超新星的爆發(fā)理論，當(dāng)一個質(zhì)量大于10個太陽質(zhì)量的恒星其內(nèi)核的氫和氦都要燃燒殆盡時，其中心區(qū)將聚合成鐵核。如果鐵核的質(zhì)量達到接近1.4個太陽質(zhì)量時，核心區(qū)在時標(biāo)為1／100秒的瞬間坍縮。坍縮核之內(nèi)，在時標(biāo)為1／1000秒的剎那，產(chǎn)生大量的中微子，總數(shù)多達1053個。中微子將坍縮形成引力能的大部分，以接近光速的高速帶出恒星，射向宇宙四方，在幾十秒內(nèi)一哄而散，于是出現(xiàn)在宇宙中的是一個轉(zhuǎn)瞬而逝的中微子星。這樣一來，在地球表面每平方厘米的土地上，海洋和人體上均有上百億個中微子穿過，先后歷時不過幾十秒。在誕生一個中微子星的同時，外部核繼續(xù)坍縮，與內(nèi)部核碰撞，產(chǎn)生激波并向外反彈，沖破外部核心，以1／10光速的速度繼續(xù)向外沖，貫穿整個恒星，將恒星物質(zhì)加熱到幾十萬攝氏度，使恒星整體膨脹成為光驟增的超新星。最早記錄到SN1987A開始增亮的時間是1987年2月23日世界時10時35分。在此之前的3小時，即世界時7時35分，世界上有三個高能粒子實驗站分別記錄到來自宇宙遠(yuǎn)方的11、8和3個中微子，前后歷時12.5秒、5.5秒和10秒。這是天文學(xué)史上第一次直接檢測到一個超新星爆發(fā)前一瞬間，其內(nèi)核坍縮產(chǎn)生的中微子。

SN1987A發(fā)現(xiàn)后的最初幾個小時，視亮度從6星等升到5星等、4星等；隨后，稍微變暗；到了3月初，亮度回升；到5月18日，即爆發(fā)后第84日，亮度增至極大值，達2.9目視星等。往后，它以每月0.01星等的減光率緩慢而持續(xù)地變暗。SN1987A的光度變化可用內(nèi)核拋散0.07個太陽質(zhì)量的鎳和鈷同位素的衰變釋能加以描述。在爆發(fā)兩年后的光變曲線上顯示出它比預(yù)期的減光率略有減緩，這反映可能還有鈷、鈦、鈉等慢衰變元素的附加釋能。SN1987A以光子形式輻射的能量為1×1029爾格。在爆發(fā)后6年之際，它的視亮度減弱到19.9星等，只有極大亮度時的六百萬分之一，為爆發(fā)前藍(lán)超巨星亮度的一千分之一。

SN1987A的光譜分析提供了拋射物質(zhì)的速度和化學(xué)組成的信息。最初爆發(fā)時，光譜所反映的是最外層拋射物質(zhì)的動態(tài)，速度達20 000千米／秒～40 000千米／秒。隨著外層逐漸稀薄，光譜開始揭示以3000千米／秒～5000千米／秒的較慢膨脹速度的深層。SN1987A繼續(xù)膨脹，原來的藍(lán)超巨星的光球消散，演變?yōu)橐黄窃?。?987年11月，在光譜中已呈現(xiàn)來自深層的重元素鎳、鈷和氬的離子的發(fā)射譜線。根據(jù)十分完整的光曲線和極為豐富的光譜資料，科學(xué)家現(xiàn)已精確地求出SN1987A事件共爆發(fā)拋射了13個太陽質(zhì)量的恒星物質(zhì)，爆發(fā)動能達1×1053爾格。其理論分析觀測資料和符合程度高于迄今為止的任何一項同類研究。

SN1987A爆發(fā)后的最初幾周，首先在射電波段探測到與星周物質(zhì)相互作用而形成的加速輻射。由于SN1987A的膨脹氣殼、星周物質(zhì)、大麥哲倫云的星際物質(zhì)、大麥哲倫云和銀河之間的星系際物質(zhì)以及銀河系的星際物質(zhì)均具有彼此不同的相對運動速度，根據(jù)超新星的光學(xué)、紫外和紅外光譜中，譜線輪廓和譜線的多普勒位移，可以探測出觀測者和SN1987A之間沿視線方向各個部位星際物質(zhì)的化學(xué)成分、物理狀態(tài)、空間分布、運動速度等多種信息?，F(xiàn)已查明，最靠近SN1987A的星周是爆發(fā)之前藍(lán)超巨星流失速度為500千米／秒的低密度星風(fēng)物質(zhì)；再向外則是紅超巨星階段流失速度10千米／秒的低密度星風(fēng)物質(zhì)；高密度膨脹氣殼外緣在演化成紅超巨星之前，受到主序星流失的1000千米／秒高度星風(fēng)的吹壓，形成一個星際物質(zhì)稀薄區(qū)。SN1987A爆發(fā)一年后，由于超新星光度持續(xù)減弱，在照相底片上呈現(xiàn)出星周的兩個膨脹同心光環(huán)，它們正是超新星爆發(fā)之前由于星周物質(zhì)的相互作用而出現(xiàn)的星際塵埃的反光回波，其內(nèi)環(huán)半徑是120秒差距(約合400光年)，外環(huán)半徑320秒差距(約合1000光年)。到爆發(fā)后的第三年，在地面和空間中又檢測到更靠近SN1987A的星際塵埃反光回波。

SN1987A爆發(fā)后第六年之際，它已由一個重元素放射性衰變而發(fā)散熱能的超新星，逐漸演變成與星周物質(zhì)相互作用的超新星遺跡。按照現(xiàn)在公認(rèn)的Ⅱ型超新星的爆發(fā)理論，其內(nèi)核已坍縮形成一個致密天體，它或是中子星，或是黑洞。如果是前者，它將表現(xiàn)為一個脈沖星。然而，在射電波段和光學(xué)波段的檢視和搜索，卻始終未能發(fā)現(xiàn)這個在理論上預(yù)期存在的致密天體，這個天文之謎尚待進一步揭曉?，F(xiàn)代天體物理學(xué)中的恒星演化最終階段理論、超新星爆發(fā)機制理論以及新星爆發(fā)后的演化學(xué)說都經(jīng)歷了一次考驗，并趨于完善。