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一、為什麼參宿四爆炸會成為大新聞

最近幾個月，有關獵戶座 α星（參宿四）持續變暗的資訊一直在網際網路流傳。一些大膽的猜測認為參宿四已經發生了爆炸，有些學者認為，目前我們所觀測到的持續變暗是超新星爆發前塌縮所致，因為任何超新星爆發前，都會發生坍縮。

上圖由布萊恩·奧特姆（Brian Ottum）提供，圖左攝於2016年2月，圖右攝於2019年12月31日。注意兩者背景星光的亮度是一致的，但參宿四卻明顯變暗了。（兩張圖對比了幾年前的參宿四與現在的參宿四）

一週前，1月6日，AAVSO釋出了一條緊急通知（通知內容見文末），因參宿四亮度鄰近極小值，通知要求全球觀測者對這顆遲暮的恆星（紅巨星）進行多波段跟蹤觀測。這或許會成為最近幾百年來，人們所觀察到的距離地球最近的超新星爆發事件。我們知道參宿四已經走向了其生命週期的最末端，但是參宿四超新星爆發是否會影響到我們耐以生存的地球，目前科學界存在兩種說法，一種是參宿四自轉軸和地球夾角只有20度，影響微乎其微（理論模型上）。另一種就是距離足夠近，600光年距離，足以造成地球生物大滅絕。當然，一些反對者認為600光年距離已經夠遠，即便沒有自轉軸的問題，其爆發對地球的影響也微乎其微。事關人類生死存亡，大新聞也就誕生了。

二、什麼是超新星爆炸

超新星爆發是宇宙中大品質恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮，過程中所釋放的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，並持續幾周甚至數月才會逐漸衰減變為不可見。這段時期中，一顆超新星所釋放的能量可以與太陽在其一生中釋放的能量總和相當甚至超過其總量。

參宿四超新星爆發模擬圖：下方的是太陽，上方更大的發光物體為參宿四

三、最早關於星星“爆炸”的記載

迄今為止，在我們生存的銀河系內，有記錄的超新星爆發事件只有8次。提到超新星，中國人可能並不陌生。因為中國是最早記載並記錄超新星的國家。商周時期的周，就有了超新星爆發的相關記載。而最早的有明確歷史記載並記錄的超新星爆發事件，就是由中國人發現並記錄的。其中最著名的超新星爆發事件發生於公元1054年7月4日，宋朝天監官發現的Taurus超新星爆發。今天的科學家就是通過關於超新星的記載發現了超新星爆炸後產生的蟹狀星雲，並從中找到了恆星演化的缺失環節。而最近一次中國人記載的超新星爆發記錄，則發生在1604年的中國明朝後期。由於望遠鏡直到1609年才出現，這也是一次肉眼可見和肉眼觀測記載的發生在銀河系內的超新星爆發，1604年10月，歐洲天文學家開普勒耗時兩年時間研究這顆位於蛇夫座的超新星，直到1606年該超新星消失不見。

四、現代科學對超新星爆炸的研究

對於超新星的研究，天文學家和物理學家從未止步。超新星爆發的過程預示恆星生命的結束，同時也宣告兩種神祕天體的誕生，中子星和黑洞。而超新星爆發對於生命甚至地球的影響，是科學家們長期研究的物件。1987年2月某日，美國國家航天局（NASA）戈達德太空飛行中心的青年研究者尼爾·格雷爾斯（Neil Gehrels）登上了一架飛往南半球澳洲腹地的軍用航班。格雷爾斯攜帶了一些十分特殊的物品：一個聚乙烯太空氣球和一組他剛剛在實驗室裡打造的輻射探測器。他的目的地是位於北領地偏遠地區的小鎮，愛麗斯泉（Alice Springs）。在這個荒僻的地方，格雷爾斯將利用他的這些特殊物品，在地球大氣層上方一窺宇宙中最令人激動人心的事件之一：超新星爆發，而這顆5等星，則位於銀河系鄰近的衛星星系大麥哲倫星雲中。

Neil in 2002 at NASA's Goddard Space Flight Center. Credit: NASA GSFC（尼爾·格雷爾斯）

這顆被命名為SN1987A的超新星，其命運和諸多超新星一樣，由於其恆星階段品質巨大，最終以劇烈塌縮的形式結束了自身的生命。SN1987A的特別之處在於其距離地球較近，在龐大的宇宙尺度中只有約16萬光年，這是明朝末年發現的SN1604以來最近的一次超新星爆發事件。

早在上個世紀20年至90年代，科學家曾假設來自鄰近超新星爆發所產生的各種射線，會破壞地球的臭氧層，使地球上的動植物長期暴露在有害的輻射下，並進一步導致大規模的物種滅絕。有了來自SN1987A的監測資料，格雷爾斯可以通過計算理論“毀滅半徑 ”，即在半徑距離內的超新星爆發會對地球產生嚴重影響，此外，他還可以計算出對應恆星品質出現這一半徑的概率。

SN1987A的演變

除此之外，通過地質學家對不同地質年代的研究發現，大約每隔十億年就有一次距離地球足夠近的超新星爆發事件對地球臭氧層產生一次巨大影響。科學家們曾在奧陶紀晚期地層中發現了一些線索。這場生物大滅絕導致了地球約85%的生物滅絕。最近一次有記載的超新星導致的物種小規模滅絕則可能發生在260萬年以前，這次滅絕事件導致了當時的海洋霸主巨齒鯊退出了歷史舞臺。超新星爆發是宇宙中比較常見的一種事件，因其影響巨大，後果嚴重，所以一向被科學家和媒體所重視。在宇宙尺度中，由於眼見不一定為實，所以地球周圍什麼時候再次出現影響地球生態的超新星爆發？我們很難尋找到蛛絲馬跡。而超新星爆發所帶來的影響，卻在我們賴以生存的地球留下了一些蛛絲馬跡。

五、在地球上尋找超新星爆炸的蛛絲馬跡

一些科學家在銀河系和鄰近的星系中探索，而另一些科學家則把目光轉向了地球的深海。由於稀有放射性金屬衰變過程緩慢，而其存在就是恆星死亡的直接證據。其中鐵-60（Fe-60）成為了科學家們關注物件。這是一種比常規同位元素多4箇中子的鐵同位素，半衰期約260萬年。然後尋找這些鐵-60原子並不容易，因為超新星爆發後只有極其少量的鐵-60會到達地球，但是在陸地上，這些鐵-60會被天然鐵稀釋，或經歷百萬年地質變遷被水沖走。

當這些金屬離子從陸地上衝刷到海水中，又從海底火山口噴發出時，這些由鐵、錳等金屬離子與海水中的氧氣不斷髮生反應，最終形成了固體物質，沉澱到海底或隨洋流四處飄蕩，直到逐漸附著在現有的硬殼上。這種被稱為鐵錳結殼（Ferromanganese crust）黑色礦物，就像鐘乳石一樣隨著時間推移而不斷沉澱。在這個緩慢沉積的物質中，不僅記錄著元素週期表上從鈷到釔所有的元素，還記錄著地球歷史變遷，科學家們可以從中找到鄰近超新星爆發的直接證據。錳鐵結殼在海底岩石地帶最初形成的確切過程目前還是未解之謎。由於海洋中每十億個水分子中只有不到1個鐵或錳原子，它們必須抵抗洋流的拉力和其他化學作用相互作用的影響，才能在新一層結殼中固定下來。因此，錳鐵結殼的沉積是科學上已知最慢的過程之一，每百萬年只增加約5毫米。不過，一旦第一層積累起來，更多的岩層就會不斷堆積，最終可厚達25釐米。這些錳鐵結殼記錄著海水化學成分變化，其中包括一些垂死恆星的元素。上個世紀80年代，地質學家在夏威夷西南部打撈出了最古老的錳鐵結殼之一，它可以追溯到7000多萬年前。當時正處於白堊紀時期，暴龍還在地球上游蕩，印度次大陸只是南極洲和亞洲之間的一座島嶼。

PLAIN-LOOKING, BUT IMPORTANT: Ferromanganese crusts collected by James Hein nearby Hawaii.James Hein（詹姆斯·海因在夏威夷附近採集的錳鐵結殼。儘管外觀普通，但這些岩石在科學上有著及重要的意義）

與沉積時間緩慢的錳鐵結殼不同，超新星的爆發幾乎是瞬間發生的。在最常見的超新星爆發中，恆星先是耗盡氫和氦，最後其核心開始燃燒較重的元素，直到最終產生鐵。這樣的過程可能需要數百萬年，但恆星的最後時刻卻只有幾毫秒。隨著重元素在恆星核中不斷積累，核心變得不穩定併發生內爆，以四分之一的光速將外層物質吸進核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了內爆，引發了一場大爆炸，將一大團恆星碎片射向太空，其中就包括鐵-60同位素，而這些同位素，一些最終落到了錳鐵結殼中。

六、超新星爆炸與物種滅絕演化的猜測

時任德國慕尼黑工業大學實驗室物理學家的克勞斯·克尼（Klaus Knie）是最早在錳鐵結殼中尋找鐵-60的人之一。有趣的是，他的團隊既沒有研究超新星，也沒有研究錳鐵結殼，而是在開發測量各種元素稀有同位素的方法，包括鐵-60。當時另一位科學家測量了鈹的一種同位素，而這種同位素剛好可以用來確定錳鐵結殼的年代。於是，克勞斯·克尼決定檢測同一樣品的鐵-60。此時他已經知道，鐵-60是在超新星爆發中產生。現在在亥姆霍茲重離子研究中心工作的克尼說：“我們是宇宙的一部分，如果我們找對了地方，我們就有機會把這種‘天體物理’物質握在手中。”

MEET THE EARTH’S HISTORIAN: Klaus Knie used this 25 cm-thick ferromanganese crust sampled from the depth of 4,830m in the Pacific Ocean to trace the Fe-60 isotopes.Anton Wallner（克勞斯·克尼利用從太平洋4830米深處採集的錳鐵結殼來追蹤鐵的同位素鐵-60，這些結殼的厚度最大可達25釐米）

該研究所用的錳鐵結殼也是從夏威夷附近海域所獲取。檢測結果表明，克勞斯·克尼和同事們發現有一層結殼出現了一個鐵-60高峰，可以追溯到約280萬年前，這標誌著當時曾有一顆鄰近恆星的死亡。這一發現具有重要的意義。這是在地球上能夠找到超新星殘餘的第一個證據，精確指出了鄰近宇宙中上一次超新星爆發的大致時間（如果有更近的事件，研究人員可能就會發現更近的鐵-60高峰）。不過，該發現也使克尼提出了一個有趣的演化理論。

根據錳鐵結殼中鐵-60的含量，克尼估計超新星爆發的位置距離地球至少100光年。這個距離是臭氧層可能被摧毀的距離的三倍，但已經足以潛在地改變雲層形成，從而改變氣候。雖然280萬年前沒有發生過大規模物種滅絕事件，但確實發生了一些劇烈的氣候變化，這個階段中，巨齒鯊逐漸在260萬年前消亡，另外值得一提的是由於某種變化可能促進了人類的演化。大約在那個時候，非洲的氣候變得乾燥，導致森林萎縮，取而代之的是大片的草原。科學家認為，這種變化可能促進了我們的原始人類祖先從樹上下來，最終開始用兩條腿走路。 之後，一些科學家為了可以更快的尋找到蛛絲馬跡，他們將地球關鍵時期與超新星爆發的時間聯絡起來。比如5次生物大滅絕和數次小規模滅絕。因為超新星爆發可能和超級火山、小行星撞擊一樣，在生物演化過程中發揮著重要的作用。

這種想法，和所有年輕的理論一樣，仍需要時間去驗證。然而還有很多學者對此持反對意見。他們認為，鐵-60也很有可能是隕石帶到地球的，而另一些科學家則認為，數百萬年前的這些氣候變化可以用溫室氣體濃度下降，或南北美洲之間的海洋通道關閉洋流變化來解釋。不過，克尼等人的研究確實為科學家提供了新的驗證工具，使他們能夠確定經過地球附近的其他可能更古老的超新星的年代，並研究它們對地球的影響。菲爾茲表示，我們可以利用這些顏色暗淡、緩慢沉積的岩石來研究宇宙中轉眼即逝的超新星爆發事件，這相當了不起，相信在未來，它們會為我們講述更多的故事。

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