【深度認識】超新星

如果你曾在新聞裡聽說「爆炸般的宇宙煙火」或「宇宙最壯觀的死亡」，那其實就是天文學家所說的「超新星」(Supernova)。今日，我會由一個日常生活的角度，帶大家認識這個宇宙最激烈的現象之一。想像一下，家裡一盞燈泡與足球場的聚光燈差距有多大？而太陽與超新星在能量釋放上的對比，更令人難以置信。究竟超新星是甚麼？為何牠的出現和消亡，高低起伏得如此戲劇化？

甚麼是超新星？——比太陽更猛烈的終極爆炸

「超新星」這個名字，其實充滿誤解。它並不是一顆「新」星，而是一個「舊」星生命的終結，並在結束時爆發出驚人的光芒。一般而言，超新星是一顆質量極大的恆星（比太陽大數倍）在經歷終極核融合反應後，「壽終正寢」時產生的劇烈爆炸。但也有部分超新星並非單靠自身，而是因兩顆恆星互動，例如「白矮星」從伴星吸收物質到臨界點，進而爆炸演變成超新星。

從我們地球看，超新星可比地球本身所有太陽光加起來還要明亮甚多。甚至有一些歷史記錄，超新星就在白天出現，連太陽都被比下去。

超新星的基本參數及種類比較

體積：沒有統一值。超新星本身是一場爆炸，形成的暫態星雲可由數億至數十億公里直徑，比行星大上千上萬倍。
質量：爆炸發生前的恆星需有約太陽8倍以上質量，最極端可達幾十太陽質量。爆炸後的一大部份質量（最高可至太陽質量數倍）以瞬間光速噴發到宇宙中。
與地球距離：眾多——最近一次肉眼可見的超新星是1987年在大麥哲倫雲，距地約16萬光年；而我們銀河系內近千年未有超新星可直接觀測。
溫度：爆炸時溫度可高達每秒上億攝氏度（比太陽中心溫度高數十倍）；爆炸外層短暫增至數百萬至數億度。
成分：主要是氫、氦、重元素（金屬）、氧、矽、鐵等，並因核融合合成出鋰至鈾等各種新元素。
歷史：有文獻記錄最早見於公元前2世紀中國，最著名如西元1054年「螃蟹星雲超新星」（SN 1054），而歐洲、阿拉伯等地歷史也有載。
自轉公轉時間：超新星屬暫態天體，視乎爆炸前的母星狀態。若形成「中子星」其自轉可快至毫秒級。

以太陽為例，太陽直徑約140萬公里，中央溫度大約1,500萬度，每秒消耗4百萬噸物質，生命期長達約100億年。而大部分形成超新星的星體，遠比太陽巨大和猛烈，生命卻格外短暫（只有數百萬至幾千萬年）。

超新星的種類—「重症監護」下的恆星們

根據爆炸的成因和觀測現象，天文學家主要把超新星分為兩大類型：

第一型（Type I Supernova）： 明顯特點是在光譜上沒有氫線，當中又可再細分。其中Type Ia型來自白矮星（White Dwarf）吸積夠多物質、超過「錢德拉塞卡極限」（Chandrasekhar Limit，約1.4個太陽質量）後出現的爆炸。這類型超新星在宇宙距離測量尤其重要，因為其最大亮度幾乎一樣（「標準燭光」）。
第二型（Type II Supernova）： 光譜含有氫線，起源自質量大於太陽8倍以上的恆星。恆星核心鐵元素建立到頂點，核反應難以維持，「引力坍縮」（core collapse）後隨即產生爆炸，並創造大量中子、重元素。

此外還有Type Ib、Ic等細分類，每一種都反映出爆炸的物理過程和化學組成不同。但歸根究底，超新星都是巨星生命中終極的悲壯和輝煌時刻。

超新星與地球、太陽的比較

從某個層面看，超新星令太陽顯得「小巫見大巫」。太陽即使核心溫度高，也只會慢慢燃燒、最終變成「紅巨星」再到「白矮星」結束，不會產生真正的超新星爆炸。地球則更加無法企及；地球的體積、質量、溫度、能量輸出，對比超新星完全被碾壓。

舉個例子，一次典型的超新星爆炸，於數星期內釋放的能量，可等同太陽在100億年壽命裡釋放的總能量！而就距離來說，雖然我們可能感覺「超新星好遠無影響」，惟如果有一顆超新星近在幾十光年內，地球上的生命很可能因強烈輻射而無法存活。

超新星的科學價值 —— 生命的配料師

這場爆炸的意義不只在於轟烈，更是宇宙「化學煉金術」的車間。你曾想過組成人類身體的鐵、鈣，其實必須透過超新星才能誕生？這正正就是天文最動人之處。由氫到鎂，太陽內的核融合可以製造；但鎳、鐵、鈾等更重的元素，除了超新星（特別是Type II）以及雙中子星合併（Neutron Star Merger）等極限天體碰撞，別無他法。

超新星還是天文學家「量度宇宙」的重要工具。由於Type Ia超新星亮度一致，天文學家把它們當作「標準燭光」來測量宇宙距離，也正正因超新星的發現，人類才得知宇宙正在加速膨脹（促成2011年諾貝爾物理學獎）。

與日常生活的連結——原來你身上有超新星的痕跡

聽起來仿佛很遙遠，但超新星與我們生活息息相關。地球上的鐵礦、金、銀甚至人體血液中的鐵，便都是上一代恆星爆炸後撒到宇宙，經過億萬年再被太陽系吸收聚集而來。如果沒有超新星，地球或太陽系內根本無法擁有這些必要元素，亦即沒有「你」與「我」的存在。

近代觀測與研究突破

最新的觀測方法，包括光學望遠鏡、X射線衛星、引力波探測器等，讓我們得以從不同角度理解超新星。例如2017年人類首次同時觀測到雙中子星合併帶來的光學與引力波訊號，其釋放的元素直至黃金，顯示地球上最珍貴的金屬也跟超新星有不可分割的聯系。而世界各地的天文團隊亦會緊密合作，捕捉每一次出現的超新星爆炸，研究其結構、前因後果，甚至用於估算宇宙歷史和未來命運。