那些年，人类一起看过的超新星——聊聊银河系里的超新星

根据“最新超新星”网站（Latest Supernovae，http://www.supernova.thistlethwaites.com/supernova.html）的统计，2019年一共有15811起超新星爆发报告（2018年是7623起），已确认爆发类型的有1990起。由于距离太远，它们绝大多数看上去十分暗淡，除了最亮的一颗极大星等达到了0.6等，其余最亮的也只是肉眼可见最暗星的1/600。这些此起彼伏的极高能爆发事件（一颗超新星爆发时的瞬时最大能量，与整个星系里其他所有恒星发出的总能量相当！），并没有为普通公众所察觉。

相比之下，我们的星际家园——银河系——要安静得多，这些超新星没有一颗爆发于此。但是别忘了，银河系里聚集着两三千亿颗恒星，堪称一个巨大的超新星候选者“仓库”。而这里一旦爆发超新星，由于距离很近，亮度往往会超过金星成为夜空中的最亮星，有许多甚至白天都能看到！在望远镜发明之前，人们就曾用肉眼就看到过一些超新星，并对这些特殊天体多有记载。尤其以我国古代的记录最为详实。

历史上的超新星

已确认的最早的超新星记录是《续汉书•天文志》记载的“客星”：东汉灵帝“中平二年（注：即公元185年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月乃消”。这次超新星爆发的可见时间大约有两年，位置在半人马座α和β星之间，现在这里还残留着一个射电源。

最为人们熟知的古代超新星，恐怕要数公元1054年金牛座爆发的超新星——天关客星。北宋至和元年五月二十七日（1054年7月4日）凌晨，在东方天空天关星（金牛座ζ）附近出现一颗亮星：“晨出东方，守天关，昼见如太白、芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”（《宋会要》）。1731年，英国天文爱好者在金牛座ζ星附近发现一个星云，后称为蟹状星云。1920年代，天文学家发现它在不断膨胀，美国天文学家哈勃根据其膨胀的速度推断它大约产生于900年前。与公元1054年中国古代观测到的超新星爆发记录相吻合。到了1969年，人们又在蟹状星云中发现了超新星爆发后留下的中子星。天关客星可谓是古代典籍佐证现代天文研究的典范。

另一颗值得一提的著名超新星是《明实录》中提到的阁道客星，现在称为第谷超新星。它位于仙后座，于1572年11月爆发，因丹麦著名天文学家第谷•布拉赫（1546-1601年）的观测而得名。第谷发现它出现在月球之外的更远处，这与亚里士多德的学说相悖，从而对风行2000多年的地心说产生了怀疑。当时它亮过金星，轰动一时，还被大量绘制于中西方的各种古星图中。2016年，南京大学的天文学家首次确认，这颗8000光年之外的超新星起源于白矮星吸积而发生的爆炸。

曾经作为第谷助手的德国天文学家开普勒（1571-1630年）在1604年也观测到一颗超新星，即我国记载的尾分客星，现在也称作开普勒超新星。此后，就再也没有人直接用肉眼发现过超新星了。

延伸阅读：我国古代记录的银河系超新星

著名天文史学家席泽宗先生曾详细考证过从公元前1300年至公元1700年的68次中国“客星”（新星或超新星爆发）记录，根据估计的明亮程度和肉眼可见期限，证认出8颗超新星，并为世界所公认（Supernovae observed in the Milky Way:Historical Supernovae，http://www.messier.seds.org/more/mw_sn.html），关于这些超新星的详细信息，详见本期《超新星：恒星的豪华葬礼》。

最年轻的银河系超新星

据估计，在过去的100万年里，银河系平均每100年爆发2到3颗超新星。但事实上，整个人类历史上记录到的银河系内超新星数量并不多。从公元前2241年到公元1680年的近4000年里，有记录的超新星爆发只有21次，而且已确认的只有8颗（均由我国史书记载所确认），第一颗是在公元185年，最后一颗就是1604年的开普勒超新星。

延伸阅读：银河系里的超新星爆发频次

《自然》杂志上曾刊发过一篇论文对银河系里的超新星爆发频次给出了一个比较可靠的估计(Roland Diehl等，2006)：来自于大质量恒星死亡时的超新星爆发（II型），在银河系内平均大约每50年发生一次。这是通过测量银河系中铝-26的放射性衰变产生的伽马射线而做出的估计。这种罕见的铝同位素半衰期为740000年，只产生于新星爆发中。每个大质量超新星产生约0.0001太阳质量的铝-26，根据测得的银河系铝-26含量，科学家估计在过去的一百万年中，这里大约爆发了20000颗超新星。

得出这一结论的前提是假设超新星爆发速率在过去的几百万年中一直保持稳定，并且估算里没有包括由白矮星吸积伴星物质爆炸而产生的Ia型超新星。

其他一些不同的估算方法也给出了类似的结论，现在人们普遍认为银河系中每世纪大约爆发2~3颗超新星。

从1604年直到现在，人类已有400多年没能再次目睹银河系中的超新星爆发了，很多人难免好奇，是不是银河系在“憋大招”呢，怎么该来的超新星迟迟不来？

其实，天文学上的时间尺度（例如天体的演化和存在的时间），与我们人类能感知到的时间跨度（例如人的寿命或某个历史时期等），是完全不可同日而语的。“银河系每个世纪爆发2到3颗超新星”这个结论是对上百万年的时间段进行的统计推断，在如此漫长的时间里，随机起伏是很大的。就两个具体的爆发事件而言，其间隔或许是一年，或许是几十甚至几百年，这都十分正常。不能机械地理解成每个世纪一定会爆发2到3颗超新星，或每过50年就要爆发一颗超新星。这就好比说一个人30年读了300本书，平均一年是10本。但实际上他可能某段时期每月读几本，而另一段时期几年也没读一本。

另外，由于银河系是一个像斗笠或钹一样扁平的棒旋星系，地球位于银河系其中一条旋臂边缘，我们所处的位置决定了银河系爆发的超新星也并不是都能被肉眼直接看见。银河系的恒星绝大多数都集中在银盘和中心的核球上，而这里同时也是星际尘埃和气体最密集之处。星际物质会对天体发出的不同波段的电磁波产生不同的散射和吸收效果，减弱恒星发出的星光，也就是天文学中的“星际消光”效应。银心附近的恒星要比太阳周围密集1000万倍，发生超新星爆炸的频次自然要高得多，但是这里密布的星际介质可以将超新星爆发的光芒减弱至万亿分之一！再亮的超新星爆发，我们可能也无缘得见。

超新星爆发不只发出明亮的可见光，还会有大量的X射线和射电辐射等，而且爆发后的遗迹——不断膨胀的气体云——在射电波段和X射线波段可以持续闪耀数千年，这就给了我们用射电望远镜或空间X射线望远镜探测它们的机会。

目前银河系最年轻超新星记录的保持者就是这么发现的。它是一颗爆发于大约140年前的超新星，位于银心方向，距离我们大约28000光年。美国天文学家于1985年在射电波段观测到这个超新星遗迹G1.9+0.3，2007年又利用钱德拉X射线空间望远镜发现它正在以惊人的速度扩张。到了2016年，新的射电观测相当精确地测定了它的年龄大约为140岁，也就是爆发于1876年前后。不过由于光芒被遮挡，当时的人们对它毫无察觉。

2019年11月，天文学家借助澳大利亚默奇森宽场阵列（Murchison Widefield Array，MWA）射电望远镜制作出一幅精细的银河系照片，发现了27个古老的超新星遗迹。随着观测手段的进步，这类发现很可能会越来越多。

下一颗超新星？

在不远的将来，有没有哪些比较近的恒星可能会“很快”爆发成超新星？同样，这里的很快，是相对于恒星寿命而非人类尺度。超过8倍太阳质量的恒星，其寿命为几千万年的量级，死亡时将会爆发成超新星。它90%以上的时间都处于核心氢元素燃烧的稳定阶段，也就是主序星阶段，而走向死亡时的不确定时期，就算只占寿命的1%，这对恒星而言的确称得上“很快”了，但至少也是几十上百万年的量级。另外要知道，人类没有（也不可能）完整观测过任何一颗恒星的生命轨迹，我们关于恒星的所有知识，都是基于对大批量恒星的统计研究而获得的。因此没有人真正知道某一颗恒星在爆发前究竟会有怎样异乎寻常的表现或迹象，关于超新星候选者的猜测，也不可能是细节完备的，仅仅只是基于恒星演化理论的一般性推测。只能说，它们相比于那些稳定燃烧着的恒星同类，处于更接近爆发的演化阶段，仅此而已。当然如果真的能直接观测到这些恒星的爆发，那将极大地促进我们对恒星演化的了解。这也是为什么大家对参宿四近期的一些“风吹草动”——亮度变化——如此感兴趣的原因之一。

首先考虑会爆发成为II型超新星的大质量恒星，它们现在应该正处于红巨星或红超巨星阶段。天文学家已经查明，在距离我们50光年的范围内（这可能是超新星爆发的安全距离，即不会明显影响地球生命的最小距离），没有质量大到可以产生II型超新星爆发的大质量恒星。在此之外，天蝎座的心宿二值得关注。这颗明亮的红色恒星距离我们约604光年，质量为太阳的15倍左右，它已经度过了稳定燃烧的主序阶段，膨胀成了一个直径为太阳800~900倍的红超巨星。参宿四和心宿二的情况差不多，只是略远一些。从质量上可以判断，这两颗恒星的寿命都不会超过一千万年，这在宇宙天体中实在是太短暂了。再加上目前它们又都处于生命的最后阶段，因此可以说，它们在宇宙尺度上“随时”可能爆发成为超新星。

还有一类是白矮星吸积形成的Ia型超新星。根据欧洲空间局盖娅（GAIA）卫星的最新观测结果，有天文学家估计，在距离地球75光年的范围内，80%的白矮星已经被找到，其中没有发现超新星候选者。在此距离之外，飞马座IK（IK Pegasi）是一个可疑的对象。这是一对位于飞马座的双星，距离我们约150光年，目视星等为6等，在天气晴朗的暗夜，肉眼勉强可见。主星飞马座IK A是一颗1.7倍太阳质量的正常恒星，伴星飞马座IK B是一颗白矮星，质量为太阳的1.3倍，很接近Ia超新星的爆发极限——1.4倍太阳质量（称为钱德拉塞卡极限）。当主星在生命晚期膨胀成红巨星时，白矮星将从它的膨胀气体包层中吸积物质而不断“增重”，一旦白矮星的质量增加到钱德拉塞卡极限，就会爆炸成为Ia型超新星。天文学家估计，它可能会在500万年内爆发。

当然除这几颗星以外，必定还有更多人们没有观测或留意到的候选者，更别说更远处那几千亿颗恒星了。

至于这些可疑分子究竟什么时候爆发？答案也许就在明天，也许会在几万甚至几十万年年以后，也许已经爆炸了但光线还没有到达地球。谁知道呢。毕竟于它们而言，几千几万年也不过就是片刻功夫而已，即便真的已到爆发关头，提前或推迟片刻又有什么好奇怪的呢？

（本文原载于《天文爱好者》，作者：北京天文馆 李鉴）