作者︰林道之

　奇特的案件︰人腦突然擴容

　　大約200萬年前，人類的祖先——原始猿人有過一次腦容量在短期內激增4倍的現象，這是人類進化史上的一次重大飛躍。在這個轉折點之前，人類祖先的腦容量和黑猩猩相差無幾，但此後一切都改變了︰人類在進化的大道上迅猛飛奔，並最終創造了現代文明，而黑猩猩什麼變化也沒有，直到今天還在森林中摘果兒吃。

　　究竟是什麼促成了人類祖先的腦容量如此快速地增加呢？一般認為是當時的第四紀冰期錘煉了原始猿人的智力。當時急劇的環境變化迫使所有的動物必須能不斷地適應新的環境，對于體力和耐寒能力都不佔優勢的原始猿人來說，不斷發展智力是唯一的選擇。

　　然而，為什麼當時只有原始猿人發展出智力，而其他與原始猿人差不多的動物種群如黑猩猩等卻沒有發展出智力呢？這里是否還別有隱情？

　　研究人員新近發現了一條新線索︰他們在大約于200萬年前沉入海底的樣本中，發現了一種鐵的同位素——鐵60。鐵60是極為稀有的元素，它只能由並不經常發生的超新星爆炸產生。超新星爆炸產生的高能粒子猛烈地撞擊地球大氣層，最後像薄薄的一層塵埃一樣落到了地球上——鐵60就是這樣被帶到地球上沉入海底的。研究人員根據計算機模型推測，200萬年前太陽系附近可能發生了兩起超級爆炸案——兩顆超新星相繼爆發出耀眼的光芒，它的亮度可以與構成銀河系的所有其他2000億顆恆星的亮度相媲美。

　　那麼，這兩顆超新星與地球生命的發展是否存在著聯系呢？研究證實，超新星向太空釋放出強大的沖擊波和密集的輻射，強烈的輻射可能沖散了太陽系周圍的星際間粒子，然後直抵地球，使地球受到了強烈的毀滅性輻射震蕩，地球上空的臭氧層隨之遭到破壞。這樣，地球就失去了抵御太陽紫外線的保護層，在歷時數百年的時間里一直處于強烈的輻射下，使地球上的生物受到了強烈影響。動物的基因可能遭到了各種各樣的突變破壞，當時浮游生物和軟體動物大量消失，一些陸生動植物也消失了；而基因的變異也同時導致了一些新物種的出現。

　　也正是在那個時候，人類的直接祖先直立人——據認為是最早的真正的人類——在非洲出現，取代了非洲南猿等類猿生物。因此，有科學家認為，在那個危險遠遠多于機遇的放射性年代，我們的祖先可能是為數不多適應了當時條件的幸運兒。

　　雖然人類進化與超新星爆炸案之間的關系還需要更多的證據才能作出定論，但作為宇宙中最大、最多爆炸案的制造者，超新星確實有著不同一般的身手。一次典型的超新星爆炸，其時間極為短暫，但卻釋放出高達10的44次方-10的45次方焦耳的能量。極度猛烈的爆炸使星體碎裂擴散開來，強烈的輻射穿越了整個宇宙，給宇宙帶來了劇烈的震蕩，它所造成的影響不可估量。

　　事實上，隨著研究的深入，超新星爆炸的意義遠遠超出了科學家當初的估計，它是我們宇宙中最為重大的事件之一，極大地豐富了宇宙中的物質，重塑了宇宙中的星系，創造了新的不可思議的天體，深刻地影響了宇宙的結構。更重要的是，它還為宇宙中生命的形成和發展作出了不可或缺的貢獻。

　　現在，讓我們把目光投向宇宙深處，去追尋那遙遠的大爆炸所產生沖擊波和種種奇異的結果吧！

　制造爆炸的“恐怖分子”

　　如此劇烈的爆炸案是怎樣發生的？有時候，遙望星空，你可能會驚奇地發現︰在某一星區，出現了一顆從來沒有見過的明亮星星！然而僅僅過了幾個月甚至幾天，它又漸漸消失了。這顆神秘的星星就是爆炸案的制造者——超新星。古時候，人們以為它是一顆新誕生的星，因此，稱它為“新星”或“超新星”。其實，超新星並不是新出生的星，恰恰是垂死恆星的“葬禮”，是恆星的死亡階段。科學家深入研究超新星的前世今生，逐漸揭開了它的爆炸之謎。

　　在宇宙中閃閃發光的恆星其實是一團熾熱的氣體，其主要成分是氫，氫是宇宙中最簡單化學元素。太空中冷而濃密的氣體塵埃雲在自身的重力作用下發生坍塌、收縮，聚集成團，恆星就誕生了。坍塌使恆星中心的氣體被壓緊，恆星內部越來越熱，直到溫度高到可以發生核聚變(即由簡單的氫原子核聚變成為稍復雜一點的氦原子核)，核聚變釋放熱能並產生向外的推力，以阻止恆星的進一步坍塌。當內外的壓力達到平衡，恆星便進入相對穩定的青年時代，基本上平穩地消耗著它的核燃料。

　　有生就有死。經過漫長的演化，每顆恆星最終都將會走向死亡，熊熊烈火就將會變為余燼，並完全熄滅。恆星以什麼方式結束自己的生命，是由其本身質量決定的。小質量的恆星會在黑暗的太空中默默地死去，而一顆恆星質量越大，它的引力坍縮趨勢就越強，為了平衡引力所需要的內部核反應也越強烈，其最後死亡的方式也就越劇烈。

　　所有質量比太陽小的恆星自誕生以來都不怎麼演化，它們將慢慢冷卻並走向死亡。質量在1∼8個太陽質量之間的恆星，最後會演化成白矮星。白矮星相當于地球大小，即幾千千米直徑，但其質量卻有太陽的1∼1.4倍。白矮星經過數十億年的冷卻，最後作為一顆黑矮星而永存。

　　一顆質量大于太陽8倍的恆星，當其核心區所有的氫經過熱核反應都變成了氦時，這顆恆星的平靜日子就到了盡頭，大動蕩的時期來到了。它首先變成了紅超巨星，其外層仍有氫在熱核反應，但核心區則由氦開始進行熱核反應，將氦聚變成碳。氦的熱核反應開始後，紅超巨星可能再度收縮、升溫，變成一顆藍超巨星或白超巨星。核心區的氦被用完後，核心周圍殼層中的氦繼續進行熱核反應，核心區則由碳接替氦開始進行熱核反應並產生氧。恆星此時再一次變紅。很快，氧又進行熱核反應產生　和硫，最後，　和硫進行熱核反應產生鐵和其他更重的元素。此時的恆星很像一克洋蔥︰氫在最外層進行熱核反應，氦在較深一層進行熱核反應，碳在更進行熱核反應，氧又在更更深一層進行熱核反應，最後是　和硫在恆星中心區進行熱核反應，而這時，最核心處則是無法進行熱核反應的鐵。

　　但除了氫和氦以外，其他元素進行的熱核反應無一不是曇花一現，因為它們產生的能量都不如氫和氦那樣多。最終，這顆恆星用光了它所有的能量，再也沒有任何能夠進行熱核反應的元素來維系與引力的平衡了，于是，恆星外圍物質以不可思議的高速向其核心處坍縮。鐵核就會被壓得更緊密，以至于電子擠壓到原子核中，與質子結合在一起變成為中子，鐵核就只剩下一個高度致密的中子物質球，當外圍物質撞到這個中子球上時，就像撞上了一堵無比堅硬的牆，被強烈地反彈回來，形成了巨大的沖擊波。沖擊波由恆星中心向外傳播，很快到達恆星表面。它帶著極其巨大的能量，毫不含糊地把恆星整個外部區域轟得粉碎！

　　這就是令整個宇宙為之變色的超新星爆炸！一顆恆星此時在幾天內所傾瀉的能量是它過去幾億年輻射的能量的總和，它所產生的亮度與上千億顆恆星加起來的整個星系的亮度一樣。

　　爆炸的幕後之手︰神秘中微子

　　緊隨沖擊波而來的是強烈的中微子洪流。一顆超新星爆發時，幾秒鐘內就能噴出1058個中微子。中微子(即微小的中性粒子)是泡利于1931年預言而在1956年才被後人實際探測到的一種基本粒子，通常情況下，中微子幾乎不與其他物質發生相互作用，因而能夠飛行很長的距離而不被阻擋或改變路徑。它具有不可思議的極強的穿透能力，能夠自由地穿過牆壁、山脈、甚至地球與其他行星。物理學家估計，中微子能夠自由穿透厚度比地球到太陽的距離還厚出幾十億倍的鐵板。如果有一個數光年厚的鉛做成的壁壘的話，中微子也能從容穿過。

　　同時，中微子在宇宙中的身份也極為神秘。有科學家認為它就是我們苦苦追尋的暗物質，它可能對我們宇宙的最終命運具有決定性的影響。雖然單個中微子的質量微不足道，但由于宇宙中它的數量極其巨大，比其它所有粒子都要多出數十億倍，它有無質量關系到宇宙將如何演變。科學家目前有兩種設想︰一種情況是宇宙將像現在這樣永遠膨脹下去，另一種情況是它膨脹到一定程度後在自身引力作用下發生收縮，哪一種情況會發生取決于宇宙的總質量。如果總質量小于某個臨界值，宇宙自身的引力就不足夠大，前者將會發生；反之後者將會發生。如果中微子具有靜止質量，其總質量會非常驚人，影響到宇宙總質量與臨界質量的對比關系，即決定宇宙是膨脹還是收縮。

　　中微子將超新星爆發時能量的99%席卷而去，恆星氣體的亮度和高速膨脹的能量，只佔超新星爆發能量的1%。這股浩浩蕩蕩的洪流所攜帶的巨大能量再次推動著沖擊波往外層傳播，並最終將恆星外層吹散。天體物理學家計算出，如果沒有中微子的額外推動，沖擊波將會很快止息，超新星爆炸的威力遠沒有實際發生的那樣猛烈。正是因為有了中微子的推動，爆炸的沖擊波才使恆星突然變亮，成為燦爛的超新星。大量中微子對超新星爆發所產生的作用，是科學家們以前沒有估計到的。

　　1987年2月24日，在距我們的銀河系15萬光年的大麥哲倫雲中，一顆引人矚目的超新星出現了。日本神岡的一台巨型探測器在那期間捕捉到了19個由超新星爆發時釋放的中微子；同一時刻，美國設在阿爾班、密執安、布魯克黑文的觀測設施也捕捉到幾個中微子，但觀測精度不及神岡。天文學家第一次檢測到來自超新星的中微子。中微子作為超新星爆炸的直接證據，首次被確定。

　　這顆意義重大的超新星被命名為1987A，科學家經過計算指出，這顆超新星的前身誕生于1100萬年前，其質量相當于太陽的15倍，星核的表面溫度約300億攝氏度，中微子的動能在25電子伏特以下。由于質量巨大，這顆恆星僅僅用短短的1000多萬年就走完了一生的歷程，以超新星爆炸的方式結束了自己的一生。

　　自由穿行于宇宙空間、星系、行星的中微子流，能夠傳遞超新星與宇宙深處未知情況的獨特信息，將來的發現可能會幫助我們揭開宇宙形成以及宇宙最終命運的奧秘。

　　極度危險的輻射

　　在產生中微子流的同時，超新星爆炸的沖擊波把粒子加速到很高的能量，形成大量的宇宙射線和其它高能輻射。公元1054年，有一次非常著名的超新星爆炸事件，當時北宋王朝的天文學家做了詳細的記載。據史書稱︰在開始的23天中這顆超新星非常之亮，白天也能在天空上看得到它，隨後逐漸變暗，直到1056年3月，才不能為肉眼看見，前後歷時22個月。這次爆發的殘骸就形成了著名的金牛座中的星雲，叫做蟹狀星雲，在蟹狀星雲的中心，還藏有一顆神秘的中子星(關于中子星，後文將有介紹)。將近1000年過去了，蟹狀星雲至今仍在閃現著凶光，釋放著高能輻射。

　　如果一顆超新星在離地球足夠近的距離內爆炸，其釋放的大量放射線將會撕開人類賴以生存的保護傘——臭氧層。物理學家計算出，在距地球25光年範圍內的一次超新星爆發所釋放出的伽馬射線和宇宙射線，足以在數十年里破壞掉大量的臭氧層，使地球表面完全暴露在對人體有害的紫外線下。

　　幸運的是，這樣巨大的恆星在太陽系附近很少，所以很難遇到超新星爆炸，平均每7億年才會出現一次。按照有些研究人員對銀河系中恆星運動的分析結果來看，它們對地球歷史上的生物大滅絕也並未作出太大的“貢獻”，在現在發現的那些可能爆炸的離我們最近的超新星里面，它們的輻射都非常微弱。由于宇宙的膨脹作用，科學家們觀測到，實際上那些可能變成超新星的恆星也在不停地離我們遠去。等到那些超新星爆炸的時候，它們很可能已經離我們太遠了，而在漫長的時間長河里，我們的地球能不能存在那麼久都是一個問題。

　　不過，也有一些研究人員認為，最近的超新星爆炸——多半發生在幾百萬年內——曾對地球的生態系統造成了破壞。他們相信，在短暫的地球歷史上，遙遠的超新星爆發帶來的低劑量放射線很有可能觸發過成千上萬次的基因突變，其中在200萬年前的那次超新星爆發有可能改變了我們人類的進化歷程。

　爆炸者的遺骸︰中子星或者黑洞

　　超新星爆炸後留下的遺骸就是致密的中子星或者更為致密的黑洞，它們是宇宙中密度最高和引力最大的兩類頗具神秘感的天體。

　　超新星爆炸後留下的遺骸如果在太陽質量的1.4倍—3倍之間，它就變成一顆中子星。中子星是一顆幾乎完全由中子構成的恆星，它的密度極高(外層︰每立方厘米10的11次方∼10的14次克，核心︰每立方厘米10的16次方克)，也就是說，在中子星的任何地方，其每立方厘米的質量竟為1億噸以上，相當于在一只戒指里有一億噸的質量！事實上，中子星的質量是如此之大，半徑10公里的中子星的質量就比太陽的質量大了。巨大的質量使中子星的引力如此之強，以至于原子都要被壓碎︰電子被壓縮到原子核中，同質子結合為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣說，中子星就是一個巨大的原子核，中子星的密度就是原子核的密度。

　　強大的引力使中子星表面上的所有不規則性都被消除，中子星上最高的山峰只有幾厘米高。中子星的表面溫度約為110萬度，輻射χ射線、γ射線和可見光。中子星有極強的磁場，它使中子星沿著磁極方向發射束狀無線電波(射電波)。中子星自轉非常快，能達到每秒幾百轉。中子星的磁極與兩極通常不吻合，所以如果中子星的磁極恰好朝向地球，那麼隨著自轉，中子星發出的射電波束就會像一座旋轉的燈塔那樣一次次掃過地球，形成射電脈沖。人們又稱這樣的天體為“脈沖星”。

　　而到了中子星的核心區域，在極高密度下，當原子核彼此重迭得相當緊密時，其物質的狀態和性質如何，科學家們目前還一無所知。

　　中子星的溫度、密度、壓強和磁場等極端條件是實驗室里不可能復制出來的，因而為核物理、原子物理、等離子體物理、相對論和電動力學等現代物理學科的研究展開了嶄新的視野。

　　超新星爆炸後留下的遺骸如果在太陽質量的3倍以上，它就變成了一個極其恐怖的黑洞。中子星就已經夠不可思議了，偏偏還要添上黑洞。黑洞的密度比中子星更大，至高的密度使它變成宇宙中的死亡陷阱和無底深淵，沒有任何物質(包括光線)能擺脫它的強大引力而逃逸，所有的物質就像掉進了一個無底深淵，永遠不可能返回。黑洞中心的奇點更加恐怖，它可以摧毀掉所有的物質和時空結構，在它附近，今天的所有物理定律都顯得不適用了。

　　天文學家稱這種由于恆星死亡形成的天體為恆星級黑洞。一般認為，宇宙中的大多數黑洞是由超新星爆炸後坍縮形成的。此外，在許多恆星系的中心也有一個因引力坍縮而形成的超大質量黑洞，比如在類星體星系的中心。在宇宙誕生初期可能曾經形成過很多微型黑洞(太初黑洞)，這些黑洞的體積很小，質量相當于一座大山，至今還有很多留在我們的宇宙中。

　　由于任何物質或輻射到達黑洞邊緣，越過它的視界就永遠消失了，因此，到目前為止，還沒有任何科學方法能用來測量黑洞，現在我們說找到了一個黑洞都是通過間接途徑推算出來的。當一個黑洞吸引塵埃、氣體或恆星時，它的強大引力會把這些物質撕碎成原子微粒，原子微粒會從黑洞的邊緣沿螺旋線墜向中心，速度會越來越快，直至達到每秒900多公里。當物體被黑洞吞沒時，會因為互相踫撞而使溫度上升到幾百萬度，迸發出χ射線和γ射線。在宇宙中，只有黑洞能使物體在密集的軌道上加速到如此高的速度，也只有黑洞現象才會造成這樣的χ射線和γ射線。科學家正是觀察宇宙中χ射線源和γ射線源來觀察黑洞的。

　　有關黑洞奇異性質的研究是現代宇宙學最前沿的課題之一，黑洞將有可能揭開我們宇宙的開端和結束的深層秘密。

　創造美麗新世界

　　50億年前，一顆超新星爆炸，引起銀河系中一塊星雲的坍縮，而這場坍縮造就了另一個恆星——太陽。太陽在脫離了孕育它的星團後，成為一顆獨立的恆星。太陽迸射出光和能，並慷慨地把它的熱能施舍給圍繞它的九個行星，這九大行星中有一顆藍色行星，就是我們的地球。

　　超新星爆炸是天體演化的重要環節。它不僅為宇宙創造了像中子星和黑洞那樣神秘的天體，同時又是新生恆星的推動者——它在爆炸過程中的劇烈震蕩可能會引發附近星雲中無數顆新一代恆星的誕生。另一方面，超新星爆炸不僅重塑了宇宙的結構，還加工和運輸了生命所必需的眾多重元素，比如說，今天我們地球上的許多物質元素就來自那些早已消失的恆星。可以說，超新星爆炸是參與塑造宇宙的重要角色之一。

　　我們的宇宙已經經歷了好幾代恆星的成長了，第一代恆星誕生于宇宙大爆炸後的數億年，它是宇宙從黑暗時代到現在已知的宇宙的轉折點。但早期宇宙的原始物質中僅含有最簡單的氫、氦和為數不多的鋰等輕元素，沒有碳、沒有氧、也沒有鐵，所有的重元素都還是空白。而沒有重元素的參與，生命的誕生無疑是無稽之談。那時的化學反應也非常單調，那些最早的恆星周圍肯定也不會有行星。

　　但就從最簡單的化學反應開始，恆星內部的高溫不斷加工簡單的氫元素，使之變為較復雜的氦元素，再變成碳、氧、　、硫、鐵等更復雜的重元素。正是有了這些重元素，宇宙中的物質才不斷豐富起來，化學反應也隨之更加復雜。在恆星把氫加工成氦再加工成碳、氧等重元素時，其整個過程極為精細，每一步都恰到好處。如果稍有偏差，氫通往氦的路程將會被堵死，所有氫以後的元素都不會產生，宇宙中的物質將會極為貧乏。

　　但是，恆星制造出來的元素如何才能逃離恆星？這就有賴超新星爆炸的幫忙。科學家們認為，在宇宙大爆炸後的僅2億多年間，一些超級巨星如雨後春筍般地頻頻誕生，每個超級巨星的質量都是太陽質量的數十倍乃至上百倍。這些超級巨星通過燃燒星核內的核燃料迅速進化、發展，在僅僅約300萬年的時間里就通過超級大爆炸結束了它們作為超新星的生命歷程。

　　宇宙生命形成所必需的重元素就蘊藏在這些超新星的星核內，此後這些超新星所進行的無數次的連環爆炸將其體內蘊含的大量化學元素散布在方圓成千上萬光年的星際空間。此外，爆炸所產生的沖擊波還促使了新星體的產生，而正是這些新星體在稍晚時候變成了生命起源所必需的化學元素的新載體。

　　而且，超新星在爆炸的同時，還在繼續著第一代恆星未竟的事業。由于能量不足，恆星內部制造元素的能力在煉到鐵時就終止了，然而，超新星的能量仍綽綽有余，它還會加工比鐵更重的元素，世界寶藏中的黃金、添加到食鹽中的碘和用于原子彈中的鈾，都是在超新星的猛烈爆炸中冶煉出來的。

　　太陽系中的碳、氧、　、硫等元素都來源于第一代恆星，這些恆星在瀕臨死亡時，通過超新星爆炸將自己的碎片拋入太空，形成塵埃雲。50億年前，太陽系就在這個塵埃雲中形成，其中的碳、氧等元素使太陽系充滿了活力，而在太陽系內一顆藍色行星——地球上，這些重元素成功地孕育了生命。在宇宙創造美麗新世界的歷程中，超新星功不可沒.