宇宙「新」光──新星、超新星与千级新星

文／语星叶，与一只米克斯黑狗简单地生活在新竹，正在努力成为天文学家。

看星星，是大多数人接触天文的契机。现今，看见满天星斗对於被光害荼毒的都市人而言是一种奢侈，相较於古时夜无灯火，总有许多静谧无光的夜晚，能让人们一同仰望星空，思索空中的奥秘。多数星星安静地闪烁，被人类赋予神话故事，成了现在为人所知的「星座」。另外，有少数几颗不安分地移动着，它们的移动方式看似有规则，有时候却会逆行，这些在天空中漫游的星星，我们就称之为「行星」。

在极少数的情况，我们会发现过去未曾注意到的星点，犹如初来乍到的旅客，古时中国称之为「客星」^[注一]。现在我们知道，这些看似新生的星，实则气数已尽。利用强大的各波段望远镜，人类侦测到大量「新」光，并提出多种机制来解释星光快速且剧烈改变的现象。

本文将介绍 3+1 种天文现象，分别为「新星（Nova）」、「超新星（Supernova）」和「极亮超新星（Superluminous supernova / Hypernova）」，以及「千级新星（Kilonova）」。前两者的观测历史源远流长，後两者则归功於现代发达的观测技术，才让我们得以一探究竟。

新星：我可一点都不年轻！

新星（Nova）来自拉丁文，有「new」之意。过去，人们仰望宁静无波（一成不变）的星空时，若是偶然发现从未见过的星星，便称之为「新星」。但如今我们知道，新星其实不是刚诞生的星，而是古老的小质量恒星，会在它们的生命终章──白矮星时期，突然变得异常明亮。

白矮星是小质量恒星死亡後的产物，致密、温度高，但亮度低，平常不易观测。一般而言，白矮星是非常稳定的天体，但如果身边有个伴，情况就不同了。若是白矮星和伴星互绕的距离过近，使得伴星的氢被吸向白矮星表面，并在其表面点燃核融合反应，产生剧烈的光度变化，让白矮星成为用肉眼可见的「新星」。

近年，天文学家发现，新星的出现经常伴随强烈的伽玛射线，推测是来自新星爆发时产生的冲击波。後续研究指出，新星的高光度也是以冲击波作用为主，而不是来自表面的核融合反应，打破了以往既有的观点。

超新星──宇宙中的灿烂花火

超新星（Supernova）顾名思义是新星的 Super 版，比「新星」更亮的星星──天文名词总是取得如此浅显易懂。超新星的光度远超越新星，其形成机制也有所不同。

目前科学界认为超新星有两种不同的形成机制，分别为「热核超新星（Thermonuclear supernova）」与「核心塌缩超新星（Core-collapse supernova）」。

「热核超新星（Thermonuclear supernova）」前身和新星一样是白矮星，差别在於热核超新星爆炸极具毁灭性。当白矮星的质量增加到「钱德拉赛卡极限（Chanfrasekhar limit）」，也就是临界值时，引爆其核心的碳元素将剧烈爆炸，将使白矮星灰飞湮灭。质量增加是因为白矮星身边有个伴，可能是两个白矮星白头偕老、最终合并，也可能和新星一样是老少配，然後白矮星吸走年轻伴星的表面物质。但究竟是哪种配对导致热核超新星爆炸，天文学家还在热议。

「核心塌缩超新星（Core-collapse supernova）」则来自大质量恒星核心塌缩後造成的热压爆炸。当大质量恒星的核心燃料用罄，无法支撑极强的重力而塌缩时，就会产生巨量的热能，并向外爆发。整个过程仅以秒计。爆发後，周围形成漂亮的超新星残骸，核心则塌缩成中子星或黑洞。

值得一提的是，超新星是少数能够串联古今天文学的研究领域。历史上数个着名的超新星爆发事件，在世界各地的文明史料中皆能发现记录。目前推测人类文明见过最亮的超新星事件是 SN1006（西元 1006 年），最亮时甚至比启明更亮 ^[注二]，即使在白天仍可用肉眼看见，而且持续长达数星期。着名的梅西尔天体 M1（蟹状星云）也是超新星爆炸後的残骸，自 1054 年的超新星爆发中产生，相关记录散见史册，而且至今仍是天文界炙手可热的研究对象。

+1 的部分：极亮超新星

现代观测技术的进步使超新星事件变得常见，有多部自动望远镜凝视着宇宙虚空，在星际间搜寻着超新星的亮光，这类计画称为巡天（Survey）计画。在众多的观测数据中，天文学家注意到一类特别明亮的「极亮超新星」（令人不禁想吐槽天文学家如此单纯的命名逻辑），这些超新星比一般情况亮了 2 个数量级以上，并且非常罕见。

到 2017 年止，人类仅观测到约 100 颗极亮超新星。由於数据过少，天文学家对其形成机制的想像可谓瞎子摸象、暂无定论，目前仍归类为超新星。那麽，极亮超新星究竟是超新星的超级版，抑或是来自不同的形成机制，唯有持续探向更遥远无垠的古老宇宙，才有机会揭发这个谜团了。

千级新星──看见宇宙之音

「千级新星」是非常新的天文研究领域，研究过程也极具戏剧性。故事得从科学家研究重力波开始说起。

重力波是重力作用产生的时空涟漪。百年前，爱因斯坦的理论便预测其存在，但重力波非常微弱，连爱因斯坦本人都不相信人类有朝一日能侦测到重力波。直到 2015 年，人类才首次「听」到两颗黑洞合并产生的重力波 ^[注三]。不过，重力波的讯号指向性不佳，难以「听音辨位」，也就是用重力波讯号回推事件发生地点。若我们能同时「看」到电磁辐射讯号（该事件发出的电磁波），便可蒐集更多更精确的数据，以了解究竟是在宇宙何处发生了什麽事。

令人难过的是，两颗黑洞合并几乎不会产生电磁辐射，因此无法用上述的方法获得更多资讯。

後来，科学家发现，当两颗中子星合并、或一颗中子星与一颗黑洞合并时，发出的重力波讯号虽较两颗黑洞合并更弱、也更难侦测，但这两种事件不只会产生重力波，也会发出电磁辐射，因此是重力波干涉仪的重要侦测目标。2010 年，天文物理学家探讨了这两种合并事件可能的电磁辐射样态，得出的结论是和新星事件一样会有剧烈的光度改变，而且最大亮度约是新星的千倍，於是命名为「千级新星（Kilonova）」。

千级新星的发光机制和超新星不同：超新星的光度主要来自爆炸产生的放射性镍元素衰变，而千级新星则主要来自两颗中子星，或中子星与黑洞碰撞合并时，大量发生的核反应——「中子捕获作用」，此类核反应仅在极端物理环境下产生，是形成金、银、铅等重元素的重要机制。过去科学家认为宇宙中重元素的生产者是超新星，然而超新星爆炸的观测数据却发现，超新星事件发生的中子捕获作用的「产能」并不足以支撑现有的重金属比例，因此千级新星便跃上研究舞台，被认为是重元素的主要产地。

2017 年，LIGO 及 VIRGO 重力波干涉仪共同侦测到人类史上第一场双中子星合并事件 GW170817。当时，世界各地的望远镜几乎都暂时放下常规任务，争相投入这场观测马拉松。最终的成果令人振奋，不但同时侦测到重力波与相应的电磁波源，分析结果也与千级新星理论预测的讯号相符，这代表我们首次观测到了千级新星！

这场盛会更昭示了「多信使天文学」时代的来临 ^[注四]。重力波探测与多波段电磁观测的结合，替人类的宇宙探索之旅翻开崭新的一页。今日，科学家们正期待着下一对共舞的致密天体摇响精密仪器的银铃，让更多未解之谜得以拨云见日。

宇宙看似恒常不变，然而在无尽好奇的驱使下，人类以最新科技突破既有的感官极限。我们洞见宇宙深邃瞬变的幽光，聆听时空悠远微弱的呢喃。宇宙「新」光的无尽奥秘，还有待来日的勤奋深掘。

注解

注一：客星指新出现的星，意义上包含彗星等在太阳系内游走的天体，惟不在本文范畴。

注二：金星是地球的夜空中最明亮的星，清晨及黄昏也可见。古时称金星出现於黄昏为「太白」、「长庚」，出现於清晨为「启明」。

注三：人类听见的声音主要来自空气分子的震荡，只要震荡频率在 20~20000 Hz 的范围，并且经由介质传递使耳膜震动，我们就能听见。虽然重力波是时空震荡，无法直接以耳朵听见，但概念上类似，因此常见到科学家将重力波讯号转换成「音讯」，方便人们感受。

注四：多信使天文学（Multi-messenger astronomy）指利用多种讯号探索宇宙的现象。不同於早期仅以可见光探看宇宙，人类如今能够探测光子、电磁波、微中子、重力波和宇宙射线等高能带电粒子。透过这些讯号，可以传达不同面向的资讯，协助我们拼凑出单一宇宙现象更细致的原貌。GW170817 事件除了以重力波和电磁辐射观测，亦有微中子观测站参与，只是没有找到相关联的微中子讯号，因此理论在这方面尚未证实，有待解惑。

参考资料

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