歷史 物理

千里共SN(上)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-07-16
點閱次數:303

  • 「但願人長久,千里共嬋娟」,這是蘇軾懷念弟弟的著名詩句。的確,還有什麼比得上咱們頭上這片共同的星空,更容易使人有”咫尺天涯”之感? 特別是有些天文奇景,宛如老天爺安排的煙火秀,總能吸引世人共同的目光。在所有天文奇景中,最璀璨的莫過於超新星的爆發。超新星的英文名稱為 Supernova,nova是拉丁語中的「新」,因為星的亮度增加而被誤認為是新出現的;字首的super則是為了將超新星和一般的新星加以區分,超新星這個名詞是德國天文學家Wilhelm Baade(1893-1960)和Fritz Zwicky (1898-1974)在1931年創造的字。超新星的命名正是SN加上發現年份,所以阿文這次用了個不中不西的標題,希望各位看官不要介意。


     
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    超新星是有些恆星在演化末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮,並可能持續幾周至幾個月甚至幾年才會逐漸衰減。有兩種方式觸發會觸發超新星爆炸:第一種情況下,一顆靠簡併壓維持平衡的白矮星可以透過吸積從伴星那兒累積到足夠的質量來提高核心的溫度,之後點燃碳融合,觸發失控的核融合,引發爆炸。在第二種情況則是大質量恆星的核心遭受重力坍縮,而核心的核融合進行到鐵以上,無法再釋放能量而造成星體崩潰,進而產生超新星爆炸。前者稱為第一類(Type I)超新星,後者則為第二類(Type II)超新星。I型超新星依據譜線為基礎再細分,典型的Ia型超新星有強烈的矽離子吸收線。這條譜線不明顯或不強烈的I型超新星被歸類為Ib或Ic型超新星,Ib型超新星顯示出強烈的中性氦譜線,Ic型超新星則缺乏這種譜線。

    恆星透過爆炸可以將其大部分物質以高達十分之一光速的速度向外拋散,並向周圍的星際物質輻射震波。這種震波會形成一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構,這被稱作超新星殘骸(Supernova remnant,簡寫SNR)。第一類超新星的殘骸通常是具有殼層結構,中央沒有緻密天體的輻射源,第二類超新星的殘骸中央具有緻密天體提供能量,又稱類蟹狀星雲型,其原型是著名的蟹狀星雲(SN1054的殘骸),但也有可能是有輻射能量的中央緻密天體,又具有拋射物與星際介質作用形成的殼層結構。研究超新星殘骸需要綜合不同波段的天文觀測結果,相當不容易。


     
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    超新星在天文學漫長的歷史中扮演著相當獨特的角色,阿文越殂代庖,在學校開了幾次天文學導論,每次上到超新星都會格外興奮,這一次阿文野人獻曝,想來好好介紹一下這個主題,就讓我一邊細數史上留名的超新星,一邊與您分享世界歷史的演進吧! 
     
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    SN185

    人類最早留下觀測記錄的超新星是SN 185,公元185年它出現在在圓規座(Circinus)和半人馬座(Centaurus)之間,靠近南門二(Alpha Centauri)的附近。所以也被稱為「南門客星」。古代中國欽天監對把彗星、新星或超新星都叫做”客星”。這顆客星被紀錄在《後漢書》內[註1],有學者認為羅馬帝國的文獻中也有紀錄到。它在夜晚可以見到的時間長達8個月。


    就在SN185出現前不久,東亞發生了黃巾之亂,由張角、張寶、張梁等人領導的大規模的民變,雖然很快就被東漢派出的官軍鎮壓,連年號也由光和改成中平,但是漢王朝搖搖欲墜的窘態已經藏不住。四年之後發生了宦官殺害大將軍何進,司隸校尉袁紹為何進報仇而殺光宦官的血腥事件,緊接著接到何進命令進京的董卓開始專擅朝政,導致東漢王朝在群雄割據下名存實亡。想來董卓,曹操,袁紹,呂布,劉關張這些人當年應該都曾抬頭看到這顆明亮的客星吧!而周瑜,諸葛亮,孫權這些人當時都還是幼童,甚至在襁褓之中呢。而在地球另一端的羅馬帝國在高摩達(就是神鬼戰士裡的那個混球!)統治下雖說四方無事,但是也國勢日衰,六年後高摩達被殺後就一蹶不振,五賢帝的黃金時期於焉告終。看來,SN185還真不是顆吉祥的星啊。


    由於古代資料有限,SN185到底是哪一類的超新星只由它的殘骸來判斷。SN185的殘骸一直要等到2006年,科學家使用錢德拉(Chandra) X射線天文台和XMM-牛頓天文台的資料才推測氣態殼層RCW 86可能是SN185的超新星殘駭,他們計算了它的移動速度,回推相應的超新星爆炸發生在2000年前。從地球到RCW 86的距離估計為2,800帕秒(9,100光年)。由RCW 86推測,SN185可能是銀河系內的一顆Type Ia 的超新星。


    SN393

    SN 393 是一顆出現天蠍座,位於銀河系內的超新星。關於SN 393的記載出現在《宋書》(南朝劉裕建立的朝代劉宋的史書)的天文紀中。當時華北群雄爭戰不已,十年前淝水之戰,苻堅大敗,前秦土崩瓦解。而東晉雖說戰勝,但是帶領東晉戰勝的謝安,謝玄相繼謝世,而孝武帝在北伐成功後開始嗜酒,「醒日既少」,還讓品行不佳的弟弟司馬道子掌管政事,朝政開始紊亂,世說新語有則故事很能反應孝武帝的當年心境:

    太元末,長星見,孝武心甚惡之。夜,華林園中飲酒,舉杯屬星云﹕「長星!勸爾一杯酒,自古何時有萬歲天子!」

    長星通常指的是彗星,不知孝武帝看到的是不是SN393? 三年後他嘲笑寵妃卻被她勒死,沒多久,東晉也消失在歷史舞台上,孝武帝的感嘆好像是個預兆。西方的羅馬帝國當時在迪奧多西大帝治下,當時的拉丁詩人(Claudian,370-404)詩中也曾提到這顆星,兩年後,迪奧多西大帝一死,東西羅馬帝國就此分道揚鑣﹐SN393看來預告著兩個帝國的終結呢。

    在SN 393所在的尾宿天域總共可以找到七個超新星殘骸。根據SN 393爆發時的最亮視星等,天文學家估計它距離地球約為33000光年。在上述的七個超新星殘骸中,有三個符合這個距離限制。在這三個超新星殘骸中,G350.0-1.8的年齡約為8000年,和SN 393爆發的時間不符合。而另外兩個超新星殘骸G348.5+0.1和G348.7+0.3,距離都在32000帕秒,年齡約為1500年,和SN 393爆發的時間符合。但是由於這顆超新星發生在銀河平面,它和地球之間存在很多星際塵埃,在這麼遠的距離,居然還可以被古代中國人用肉眼觀測了八個月,似乎不太可能。

    直到1996年,倫琴衛星(ROSAT)巡天觀測在尾宿發現了一個超新星殘駭:RX J1713.7-3946 (G347.3-0)。 RX J1713.7-3946是一顆質量至少為15個太陽質量的恆星發生II型或Ib型超新星爆發而留下的超新星殘駭。爆炸產生的能量約為1.3×1051爾格,噴射出三個太陽質量的物質進入周圍的星際介質中,1997年就有人提出這個可能就是SN 393爆發後的超新星殘駭。

    然而在2003年,一項研究表明,RX J1713.7-3946和一個距離地球1000帕秒(3000光年)的分子雲之間有相互作用。2004年,通過X射線觀測和對它與地球之間的物質吸收中性氫情況的研究,支持2003年的研究的結論。這似乎與SN393的記載有所杆格。因為如國SN393距離地球這麼近,亮度應該比記載的更大才對。到底RX J1713.7-3946是不是SN393的殘骸,外行的阿文只能請專家來解惑了。[註3]


    SN1006

    SN1006是一顆被眾多文明觀測到的超新星;與地球的距離是7,200光年。它是歷史記錄中最明亮的太陽系外的事件,估計視星等達到負7.5等,最早的紀錄是在1006年4月30日與5月1日之間,出現在豺狼座(Lupus)。在中國、埃及、伊拉克、日本、瑞士都有這顆「客星」的觀測紀錄,甚至在亞利桑納州白坦克山地區公園(White Tank Mountain Regional Park )的霍霍卡(Hohokam)岩畫也被解釋為是這顆超新星的記錄。這顆超新星早期的演化出現了兩個階段。在第一階段的三個月是他最亮的週期;在此之後它開始減弱,期間長約為18個月。

    北宋和阿拉伯天文學家對這顆超新星提供了非常完整的歷史記載。當時伊斯蘭世界中最興盛的是北非的法蒂瑪王朝,在位的正是有名的瘋王哈基姆(al-Ḥākim)。

    埃及的學者Ali ibn Ridwan,在托勒密的《占星四書》這篇評論中寫道:"...壯觀的大圓天體有金星的2倍半到3倍大。它的光在天空中照耀著,比弦月還要亮。" Ali ibn Ridwan也指出這顆新的星低懸在南方的地平線上。

    根據《宋史》記載,這顆恆星在1006年5月1日出現在氐宿西側(豺狼座西側,即半人馬座東邊1度)的地方。爆炸時的視大小超過弦月,亮到在晚上可以照射出物體的影子。 在12月,它再次出現在氐宿。當時沒有人能夠辨認出這到底是甚麼星,有人說是「國皇妖星」,它的出現是「兵凶之兆」。占星家周克明出使嶺南,回到開封之後,5月30日他向宋真宗說明這顆黃色且燦爛的亮星是一顆吉祥的星,它出現的狀態會帶來國家的興盛。宋真宗為什麼這麼在意呢?

    因為就在兩年前,宋真宗剛經歷人生最兇險的一刻,遼國大軍南下,他原本打算往南逃命,後來聽了寇準的諫言,御駕親征,親自登上位在前線澶州北城門樓以示督戰,「諸軍皆呼萬歲,聲聞數十里,氣勢百倍」。之後遼軍主帥中弩身亡,宋與遼才談和,簽下有名的澶淵之盟。驚魂未定的宋真宗聽了周克明的話,自然是大大地鬆了一口氣了。

    除了北宋與埃及,其他文明對SN1006也多有記載:瑞士的聖加倫修道院(Abbey of Saint Gall )的修道士記載了它的位置和亮度,寫道:"在一種美妙的方式,它有時候聚合,有時候分散,還有時候會消失....在南方天空隱密的邊界,它看起來似乎一成不變的存在了三個月,超越了天空中能看見的所有星座"。這樣的說明被視為這顆超新星是Ia超新星的證據。有些來源說這顆超新星的亮度足以產生陰影;可見連白天都能看見,天文學家法蘭克·溫克勒 (Frank Winkler) 曾開完笑地說:"在1006年的春季,人們可能在午夜利用它的光閱讀手稿”

    SN1006的超新星殘駭是靠近騎官四 (豺狼座β)的電波源PKS 1459-41。這個電波源。雖然之前天文學家知道這個電波源的存在,但是它與SN1006的關聯卻是在1965年Doug Milne和Frank Gardner使用位於澳大利亞新南威爾士州的帕克斯電波望遠鏡,發現它有30弧分的圓殼形狀才確定。之後從這個殘骸也偵測到了X射線和可見光,並且在2010年H.E.S.S.γ射線天文台宣布偵測到這個殘骸發射出非常高能量的γ射線。估計這個直徑大約0.5度的超新星殘骸距離地球大約2,200帕秒(約7200光年),它的線直徑大約是20帕秒。這個Ia超新星的殘骸中沒有發現有關聯的中子星或黑洞。在2012年進行的研究推測SN 1006的伴星已經不存在了,這表明SN 1006很有可能是兩個白矮星的合併所產生的超新星。

    SN1054

    SN 1054是1054年金牛座內發現的一顆超新星,古代中國和阿拉伯的天文學家在史書中對這顆星留下了詳細的記錄。因該星星突然出現在天關星(金牛座ζ)附近,故名天關客星。據天文學家推算,銀河系內的超新星爆發平均20-50年出現一次。但是大都發生在銀核內部,或者在銀盤的另一半,完全被銀核遮擋。蟹狀星雲的超新星爆發,恰巧發生在銀河系內與太陽同一側銀盤上但是比太陽系更遠離銀核的外側。這樣的部位發生超新星爆發,從地球上觀測完全沒有遮擋,這是極為罕見的例子。 

    根據中國史籍中的記錄可以推斷,這顆超新星在23天內,在白天都可以見到,在夜晚可見的時間則持續了一年十個月[註4]。當時北宋發生了南方的儂智高所發動的戰爭,後來宋仁宗派了狄青,將儂智高打敗了。與SN1006不同的是,西歐沒有顯著有關SN1054的記錄。

    據研究,這顆星可能是Ⅱ型超新星,天關客星爆炸後的殘骸形成了蟹狀星雲,它在1774年收錄在梅西耶天體列表中成為第1號天體(蟹狀星雲M1,NGC 1952)。 20世紀早期,對早期間隔數年的星雲照片進行分析發現它正在不斷膨脹。根據其膨脹速度反推可得,該星雲在地球上開始可見的時間至少在900年以前。歸功於東亞地區和中東地區天文學家1054年記錄的觀測,蟹狀星雲才成為第一個被確認與超新星爆發有關的超新星殘骸。1969年天文學家發現星雲的中心是一顆脈衝星,它的直徑約28–30公里,每秒自轉30.2次,並發射出從γ射線到無線電波的寬頻率範圍電磁波。蟹狀星雲的X射線和γ射線輻射能量超過30 keV,最高可達450 TeV,而且非常穩定,因此天文學家將蟹狀星雲看成是宇宙中最穩定的高能輻射源之一。



    SN1181

    SN 1181於1181年8月4日與6日間被觀測到,南宋,金和日本的天文學家在8份不同的文書上記錄了這顆超新星。這一顆位於仙后座,在夜晚能觀測到的天數大約是185天。 只有東亞史料有記載這顆超新星,中東與西歐都沒有。當時日本的執政者平清盛在三月死了,源平大戰序幕才剛要開始,而南宋與金對峙,但是在宋孝宗與金世宗的統治下,卻是難得的太平盛世,後世稱之為「乾淳之治」(乾道淳熙是宋孝宗的年號)。

    每秒旋轉15次的電波和X-射線源脈衝星J0205+6449(也稱為3C 58)可能是這顆超新星爆發的殘骸。先前對3c 58的無線電測量顯示這顆超新星殘骸可能比SN 1181更老,因此兩者可能並無關聯,但是後來新的測量發現它與地球的距離並非之前估計的一萬光年,而是六千五百光年,所以它與SN1181的關聯並沒有問題。然而,這樣一來,SN1181爆發的能量似乎出乎意料地低。所以3C 58是否為SN1181的殘骸還有待確認。[註7]


    SN1572

    SN 1572,又名「第谷超新星」,是出現在仙后座的超新星。著名的丹麥天文學家第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546-1601)於1572年11月11日首次觀測到它,當時它比金星還亮,隨著光度轉暗,直到兩年後的1574年3月,才無法以肉眼看到。威田堡的一位學者 Wolfgang Schuler 在11月6日就發現它了。但是第谷祥細地記錄了這顆超新星的亮度變化,而且次年將結果出版,書名是De nova et nullius aevi memoria prius visa stella (關於任何人的生活或記憶中都從未見過的新星)。這是SN1572被稱為第谷超新星的原因。

    那一年也是多事之秋,這一年印加人完全臣服在了西班牙人之下,法國發生了天主教徒屠殺新教徒的聖巴托羅繆大屠殺(Massacre de la Saint-Barthélemy),而在日本足利義昭被織田信長逐出京都,室町幕府終於消失。當時明朝皇帝明穆宗朱載坖剛過世,十歲的小皇帝登基才兩個月,這個天文異象對小皇帝造成不小的心理陰影呢[註8]。

    這個超新星殘骸(編號3C 10)於1952年才被科學家發現,六零年代後被帕洛馬天文台的光學望遠鏡確認;之後,倫琴衛星 (ROSAT) 的望遠鏡也拍攝到。SN 1572的衝擊波目前仍以大約每秒數千公里的速度向外擴張。2004年10月,英國科學雜誌《自然》(Nature)上發表了一篇文章,宣稱發現了SN 1572附近的一個G2型恆星,該恆星被認為是SN1572的伴星。 2005年3月發表的文章揭示了有關這顆被稱為“ Tycho G”的更多細節。這顆恆星可能在SN1572 爆炸前是主序星,但超新星爆炸時剝離了它的一些質量, Tycho G以136 km / s的速度運動,這比周遭恆星的固有速度快得多,被認為可能是超新星爆炸時被甩出去的結果。

    2008年,日本國家天文台,夏威夷天文台,東京大學數學與宇宙學院和馬克斯·普朗克天文研究所的聯合研究團隊觀測到超新星爆炸產生的光被周圍的塵埃反射產生的光學回波(light echo),因而認定SN 1572的光譜是Ia型超新星的典型光譜,SN 1572光譜顯示了Ia型中的標準發光強度,它距地球的距離約為9400-17000光年。更新的測量則主張8000-9800光年遠。[註9]


    SN1604

    SN1572之後不到三十二年又出現了一顆超新星!它的位置在蛇夫座(Ophiuchus)內。SN 1604也是至今銀河系內最後一顆肉眼可見的超新星,距地球僅4,000秒差距(約13,000光年)。亮度達高峰時是全天最亮的恆星,也比金星外的其他行星亮,視星等為−2.5。它在1604年10月9日首次被人發現。

    超新星1604又名克卜勒超新星,克卜勒繼承了三年前突然病死的第谷,在布拉格,神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世(Rudolf II.,1552-1612)的宮廷中擔任皇家數學家。克卜勒從10月17日開始密切觀察SN1604,並在深入研究後他寫了一本書鉅細無遺地記錄此事,書名為《De Stella nova in pede Serpentarii》(蛇夫座足部的新星),這是它被稱為克卜勒超新星的緣由。SN1572與SN1604的接連出現讓亞理斯多德的世界觀被打上一個大問號,在亞理斯多德的自然哲學中,月球軌道之外的是完美不變的世界,但是超新星的出現讓這種想法徹底破產。這是日心說逐漸贏得人心的關鍵。

    在明史中對此次超新星爆發也有記載[註10],萬曆皇帝是惟一一生看到兩次超新星爆炸的皇帝,不過他可能不知情吧。此時他正為了立太子之事與大臣們鬧得不可開交,不上朝好幾年了。尤其前一年還發生了妖書案,書中假借朝中大臣的口吻大肆諷刺遲遲不肯立長子為太子的萬曆帝,這案子搞到朝廷中的黨派鬥到你死我活,好不容易到了萬曆三十二年(1604年)四月才找了個替死鬼凌遲了事,這顆超新星似乎不是好兆頭,四十年後,大明就亡了!


    超新星1604爆發後的殘骸G4.5+6.8到今天仍然是常常被深入研究的天體。在綜合了哈伯天文望遠鏡, Spitzer 太空望遠鏡和Chandra X-光 天文台的觀測結果合併後的圖像顯示出氣泡狀的氣體和灰塵罩,其寬度為14光年,並以每小時600萬公里(400萬英里)的速度擴展。天文學家斷定SN1604是Type Ia 超新星,因為沒有發現殘骸裡有中子星或別的殘存星體。 


    SN1604是最後一顆用肉眼可以觀察到的超新星,隨著望遠鏡的發明,天文觀測也進入新的時代,人類對於超新星的了解也愈來愈豐富,下一次阿文要帶您一起細數望遠鏡時代的超新星觀測史,敬請期待!

    [註1]:《後漢書·卷十二·天文下》記載「中平二年十月癸亥,客星出南門中,大如半筵,五色喜怒稍小,至後年六月消。」
    [註2]《宋書·卷二十五》: 
    太元十八年春二月客星在尾(宿)中,至九月乃滅。
    太元是指東晉孝武帝司馬曜的第二個年號,太元十八年即是公元393年。尾宿即現代星座系統中天蠍座的尾巴,由天蠍座ε、μ、ζ、η、θ、ι、κ、λ和ν九顆星組成。
    [註3]THE SN 393-SNR RX J1713.7-3946 (G347.3-0.5) CONNECTION 
    By Robert A. Fesen, Richard Kremer, Daniel Patnaude, and Dan Milisavljevic ,
    The Astronomical Journal, Volume 143, Number 2, 2011.
    [註4]宋史:景德三年四月戊寅,周伯星見,出氐南騎官西一度,狀如半月,有芒角,煌煌然可以鑒物,曆庫樓東,八月,隨天輪入濁,十一月,復見在氐。自是常以十一月辰見東方,八月西南入濁。
    [註5]宋史:〔景德〕三年,有大星出氐西,眾莫能辨;或言國皇妖星,為兵凶之兆。克明時使嶺表,及還,亟請對,言:"臣按《天文錄》、《荊州占》,其星名曰周伯,其色黃,其光煌煌然,所見之國大昌,是德星也。臣在塗聞中外之人頗惑其事,願許文武稱慶,以安天下心。"」
    [註6]《宋史‧天文志》中載: 至和元年五月己丑,出天關東南可數寸,歲餘稍沒。(至和元年五月己丑也就是1054年7月4日。) 
    《宋史‧仁宗本紀》中載: 嘉祐元年三月辛未,司天監言:自至和元年五月,客星晨出東方,守天關,至是沒。
    [註7] A Thorough Investigation of Distance and Age of the Pulsar Wind Nebula 3C58 by Roland Kothes ,Astron.Astrophys. 560 (2013) A18
    [註8]: 明神宗實錄六: 十月初三丙辰夜,客星見東北方,如彈凡出閣道旁。壁宿度漸微芒有光,歷十九日。壬申夜,其星赤黃色大如盞,光芒四出,占曰:是為孛星,日未入時,見占曰:亦為晝見。是時,上於宮中,見之儆懼,夜露禱於丹陛。輔臣張居正等言:君臣一體,請行內外諸司,痛加修省,仍請奏 兩宮聖母,宮闈之內,同加修省從之。諭禮部曰:玄象示異,朕心深切警惕,內外諸司宜痛加修省,便查舊例來行。禮部奏請如嘉靖四十二年火星迭行之例,百官青衣角帶辦事五日報曰:你每為臣的都要體朕敬畏天戒之意,著實盡心修舉職業,共圖消弭,毋徒為修省虛文。按是星歷萬曆元年二月,光始漸微,至二年四月乃沒。
    [註9] Tycho Brahe’s 1572 supernova as a standard type Ia as revealed by its light-echo spectrum, by Oliver Krause, Masaomi Tanaka, Tomonori Usuda, Takashi Hattori, Miwa Goto,  Stephan Birkmann,Ken’ichi Nomoto, Nature volume 456, p617–619(2008)
    [註10] 明史 天文志三(卷27)(萬曆)三十二年九月乙丑,尾分有星如彈丸,色赤黃,見西南方,至十月而隱。十二月辛酉,轉出東南方,仍尾分。明年二月漸暗,八月丁卯始滅。


    參考資料:
    (一)中文,英文,阿拉伯文 維基相關條目
    (二)From Cave Art to Hubble: A History of Astronomical Record Keeping,by Powell, Jonathan.

    延伸閱讀:
    千里共SN(下)
     



     
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