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6 恆星如何結束生命
假如我們在地球上的存在能對整個宇宙的情形提供一些指引，那麼環繞在恆星周圍的行星，它們上面的生命就必須靠恆星來供應所需的能量。因此，為了我們自己，也為了尋找生命，我們對恆星耗盡核燃料之後的命運，並非只是隨意的興趣而已。當太陽進行核融合的核心當中的質子耗盡後時，我們現在所享有、能量穩定輸出的時代就永遠結束了。但恆星老死所能影響我們的，還不只是這一項。即便是現在，我們也活在長久以前就用罄質子的恆星，所遺留的灰燼之中。我們體中每一個分子都來自爆炸星球的物質。我們所呼吸的空氣、所立足
的地面、四周環繞的海洋，春天綻放的花朵，都來自亙古時消失的星體，當它們內部所有能釋出更多動能的過程都結束後，它們就塌陷，接著就爆炸。
<恆星核燃料的消耗> (Nuclear Fuel Consumption in Stars)
因為一顆恆星自有的重力是不會消失的，因此當它再也無法每秒釋出足夠的動能來抗衡自己的重力，或是再也找不到其他的方法來抵擋自己的重力時，就非收縮不可。一旦大多數恆星中央區域的質子都融合成氦原子核以後，恆星就再也不能靠融合質子來釋放能量。氦原子核可以用來當作進一步核融合的備份「燃料」，但卻是有「但書」的：氦四原子核(4He)極不願意結合在一起。想要讓4He原子核融合，需要的不只是幾百萬度，而是幾億度。也只有在這樣的極高溫下，4He核才能抗拒它們彼此之間的斥力，因此互相靠近、碰撞而融合在一起。
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圖6.1 當溫度達到約兩億度時，氦四核(4He)會彼此融合。這個融合產生一個鈹八原子核(8Be)。如果另外一個氦四核在鈹八核衰變之前與其融合，第二個融合就會產生一個碳十二(12C)加上一個光子。
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這種融合反應稱為「三α過程」 (triple-alpha process) ，取名於4He的舊名α粒子。這個過程首先是兩個4He融合成一個鈹八 (8Be) 加上一個光子。鈹八原子核接著會和另一個氦四原子核融合，產生一個碳十二 (12C) 原子核加一個光子（圖6.1）。結合這兩個反應，相當於把三個He核融合成一個12C核，加上兩個光子，而釋出1.2X10^-6爾格來自質能的動能。值得注意的是這麼多的能量只是質子─質子循環所釋放的4.2X10^-5爾格的四分之一：恆星靠融合4He核所釋出的動能要比融合質子所釋放的少得多。由於一個4He核乃由四個質子構成，因此氫原子核與氦原子核在釋放能量的能力方面，其差異要比初看之下還來得大。
<恆星的演化> (The Evolution of Stars)
我們來探討一下當恆星由於融合反應耗盡其中心的質子時，會發生什麼情況。首先，減量供應的質子仍必須提供足夠的能量來維持恆星使其不致塌陷。恆星藉由收縮它的核心來達到這個要求：它本身的重力超過核融合釋出的動能，因此核心變小，這樣的收縮升高了核心的溫度，使得剩下的質子更快速地融合在一起，更有效地釋放能量，也更快速地消耗質子的供應。此時恆星核心有如一位汽車駕駛，當他發現油料不足時，卻反而加快油門。恆星的中央區域佔了大約總質量得一半，它繼續收縮而溫度持續升高，幾乎消耗殆盡所有的質子，直到核心的溫度上升到一億度，氦原子核本身便開始進行核融合。
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圖6.2 當恆星結束其主序壽命時，會變得更明亮。外層一邊脹開，一邊冷卻，把星球帶入位於溫度─光度圖中右上角的紅巨星區域。
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氦核之間開始融合，提供一陣驟來的動能，使得恆星暫時增亮許多。這個「氦閃」 (helium flash) 的現象代表了恆星光度的最高點，接下來便走向晦暗^1。圖6.2顯示在主序上不同位置的恆星，其光度及表面溫度變化的情形。當恆星內部大部份的質子融合成氦核後，恆星會從圖上代表穩定質子融合的主序位置離開。在這段期間，恆星的核心幾乎純是氦，而環繞在核心周圍的一層球殼上，質子則繼續融合（圖6.3）。有些恆星在核心收縮時，光度反而會增加；它們的中心溫度都升高了，使得環繞在純氦核心周圍的單薄球殼當中所剩餘的質子，以愈來愈快的速率進行融合反應。
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腳注^1： 氦閃在星球的核心為時不到一秒鐘，但是能量向外擴散的時間卻長得多。因此假如我們能幸運地找到一顆核心剛發生氦閃之後的恆星，我們會看到該顆恆星在好幾天之內會顯得非常明亮。
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氦閃在非常短的時間內釋出大量的動能，使得核心稍微膨脹，也因此使溫度下降，氦融合的速率也跟著降低。 然而氦融合反應還是繼續進行，而在不斷縮小的核心當中的氦核數量雖然愈來愈少，卻仍然持續穩定地釋出能量。由於融合反應的速率和溫度之間有極密切的相關性，因此縱然是在缺乏原子核的情形下，恆星還是能夠在很短的期間內釋放出動能。恆星一旦到了這個地步，新增加的動能會把恆星的外層向外推，脹大到超過原來的大小。膨脹使得氣體冷卻，因此在恆星的核心變得極緻密與極高溫的同時，也有了一個溫冷，但卻脹得非常大的外圍「包層」 (envelope)。
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圖6.3 當恆星核心幾乎將所有氫原子核（質子）融合殆盡後，核心幾乎全由純氦組成，而質子的融合則繼續於環繞在核心外層的球殼中進行。
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這顆星球就成了紅巨星，和主序星比起來，紅巨星的外部比較冷也比較稀薄，但其核心卻比較熱，密度也比較高。這顆星球最終會把最外層完全推向太空，而露出底下較熱的部分。接下來的一段時間，恆星會比較明亮，表面溫度也比較高，事實上，溫度會高到使其輻射能量大多在人眼所看不到的紫外光波段。被推出來的外層卻可能吸收恆星一部份的紫外光子，使得膨脹球殼中的原子游離。而當原子復合，電子躍進較小的軌道時，便產生可見光光子，我們因此就看到一個「行星狀星雲」 (planetary nebula) ，這是恆星拋掉不要的外殼（圖6.4）。每個行星狀星雲輻射的能量都來自（我們）幾乎看不到的星球，而此星球位於它所拋的氣體球層的中央。
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圖6.4 行星狀星雲來自紅巨星階段所拋出星球外層的球殼狀物質。當外層消失後，露出的高熱表面所輻射的紫外光子造成周圍球殼內氫原子游離。一旦這些離子和電子復合，形成電子會躍進比較小的軌道，而放出可見光。
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恆星演化的各個階段要花多長的時間呢？ 假如我們把恆星的整個生命期比喻成人類的壽命（70歲），那麼一開始的收縮以及原恆星的階段相當於星球的童年（就說是15年吧），而收縮的最後階段以及開始釋放能量的階段則經過快得多（1年）。恆星的主序時期持續了相當大約50年，而從離開主序到發生氦閃只花了大概一年多的時間。氦閃本身是在十億分之一秒內產生的（在實際的情況下，氦閃的時間不到一秒鐘），而接下來的紅巨星階段則持續了約三年。跟著的行星狀星雲階段以及接下來的種種維持不到一年，恆星隨後不是爆炸，就是變成白矮星。我們用人類的壽命來比喻，而不說恆星真正生命中實際發生的時間長短，這
是因為不同質量的恆星在生命的不同階段所需要的時間大不相同。以太陽為例，它要花100億年在主序上，以及再一億年到氦閃；而一顆5倍於太陽質量的星球則會花千萬年在主序上，然後再5百萬年到達氦閃的階段。這些時間的長短是經過仔細計算出來的，也說明了一項關鍵的事實，那就是恆星大部分的生命在主序上。
我們跟隨了一顆恆星的演化，從「質子─質子反應」開始到「氦融合成碳」的反應。當恆星把氦核全用來在融合成碳原子核以後，又會發生什麼事情呢？星球可以有兩種不同的下場，端視其質量而定：低質量的恆星會變成白矮星，而大質量的恆星則不會，但有可能會發生超新星爆炸。
<白矮星中的不相容原理> (The Exclusion Principle in White Dwarf Stars)
白矮星是極度壓縮的星體中心，這些星體曾經是正常的恆星，後來將自己的外層拋出，露出內部幾乎全由碳原子核與電子所組成的核心。白矮星和別的星體不同的地方，也是支撐住白矮星以抵擋本身重力的原因，就是白矮星中的電子是依據「不相容原理」支持住的。科學家用這個詞來描述一項似乎很難相信的事實：某些種類的粒子（尤其是電子、質子，以及中子）無法毫無限制地擠在一起。一旦「正常」物質（原子）中的空間被擠得不能再擠時，它們就拒絕繼續被擠壓。電子間彼此有電磁的排斥力，而這股來自不相容原理的作用則是額外的排斥力，而且威力要大得多。事實上，不相容原理在所有物質的結構上都扮演了重要的角色，因為它決定了有多少電子可以擠進原子核周圍的軌道。
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在老化星球的內部，只有在物質密度超過每立方公分一百萬克（也就是水密度的一百萬倍）的時候，不相容原理才變得重要。在低密度的情況下，不相容原理在星球內部結構上是沒有影響的。但是設想一顆中央區域持續收縮，而中心溫度則一直升高的恆星。一旦恆星核心大部分的氦都便成碳原子核時，碳原子核原本有機會能融合成更重的原子核，而釋出更多的動能。但是，如果星球的內部已經收縮到一個地步，以致於物質密度達到了每立方公分一百萬克時，碳融合的反應就不會發生了。為什麼不會呢？因為電子是遵從不相容原理的，它們會抗拒被壓縮到更高的密度，而如果電子抗拒進一步的壓縮，碳原子也會抗拒，這是因為帶負
電的電子與帶正電的原子核之間的電磁吸引力有效地將原子核固定住了，讓它們無法被彼此的重力吸向星球的中心。
白矮星中的電子使得碳原子核彼此分離，而不讓它們跑向星球核心，這同時避免了原子核彼此融合，因為它們再也不能用高速互撞來抵擋彼此的電磁斥力。主序星中心的物質密度比白矮星來得低，因此在主序星的內部，高速而直接的對撞維持了質子─質子融合的反應循環。相比之下，白矮星的密度極高，但卻反而沒有發生融合反應的機會，這是因為原子核根本無
法以足夠的動能來相撞而融合在一起。
白矮星曾經是正常的主序星，如今只剩下如地球般大小的星球核心，在其內部熱能藉傳導由裡向外傳出，然後輻射向太空，但是星球不再釋放動能了。奇怪的是，由於白矮星只輻射非常少的能量（它們的光度至多只有太陽的千分之一），當它們消耗早年儲存起來的能量時，會穩定地逐漸變暗，卻還能照耀達數十億年之久（圖6.5）。
這些白矮星輸出的能量和太陽相比微不足道，但卻能夠提供任何環繞在它們四周的生物體穩定的能量來源。但是當我們想到白矮星之前的紅巨星及氦閃的階段，更別說星球推出外層所形成的行星狀星雲的階段，我們應該能推論出，生命可能無法熬到白矮星的穩定階段。任何環繞在老化恆星四周的文明，都必須面對該星球能量輸出的巨大變化。一個文明只有能夠先知灼見其恆星將發生的事情，設法安然度過紅巨星時期的顛簸，然後移往殘存的白矮星附近，繼續「刻苦耐勞」地生存下去，才是往後數十億年的久安之計。
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圖6.5 天狼星 (Sirius)是顆鄰近的恆星，而它的伴星是一顆叫做「天狼B星」(Sirius B)
的白矮星，它的質量和「天狼A星」 (Sirius A) 差不多，但是光度只有天狼A星（一顆主
序星；尚未演化成白矮星）的百萬分之一。在這張過度曝光的照片中，勉強可以在天狼A星的光芒中，看到白矮星。
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最有名的白矮星「天狼B星」 (Sirius B) 是全夜空最亮的恆星的伴星。這兩顆星球以大約50年的週期繞著它們共同的質量中心運行。天狼B星的質量和太陽差不多，而直徑卻只比地球大一點，因此它的密度達到水的百萬倍。由於我們相信後來成為天狼B星的那顆恆星，和天狼A星大約是同時生成的，也因為我們知道質量愈大的星球老化得越快，因此天狼B星的質量很可能曾經比天狼A星來得大（天狼A星的質量是太陽的2.3倍），但在紅巨星的階段損失了大部分的質量，然後演變成白矮星而歸於黯淡。
<超新星爆炸> (Supernova Explosions)
有關大部分的恆星 --- 為數眾多但質量不大，最後成為白矮星的星球 --- 談得夠多了。但是恆星演化的第二條路徑，也就是那些會產生超新星，而製造出你我身體中各種元素的星體又如何呢？為什麼有些星球會在爆炸後，在宇宙中散播有用的原子核，而不會像白矮星一樣黯淡的消失呢？「小部分的恆星在生命結束後會爆炸」的這個事實造就了我們的存在，也得
以讓我們思索它們的本質。我們應該慶幸太陽不是那種演化快速、將要爆炸，但對生命的存在卻無比重要的超新星。
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由於質量不同，恆星結束生命的方式也不同；而質量不同表示在星球中心的密度也不同。質量愈大的恆星其中心密度愈低，這是因為質量較大的恆星能在較低的核心物質密度下，達到一定的中心溫度。為什麼會這樣呢？因為質量越大的恆星有較多的物質壓在中心上方，施加了較大的重量。在中心的物質則藉著升高溫度來抵擋這個較大的重量，而不需要非常大的密度才能達到某個溫度。
這使得大質量的恆星比低質量的恆星較容易產生較高的中心溫度。在低質量恆星中，較弱的重力無法讓中心壓力及溫度輕易升高，因此恆星（為了平衡重力）必須在恆星內部把物質擠壓得更緊，才能達到一樣的效果。因此在演化的同一個時期，質量較低的恆星在中心的物質密度是比高質量恆星來得大的。
對於質量小於太陽的1.4倍的低質量恆星而言，在氦核融合成碳核時，不相容原理變得很重要。就我們目前所知，所有白矮星的質量都小於太陽的1.4倍，而絕大多數的質量都小於太陽。
在大質量恆星的內部，即使在氦核轉變成碳核以後，其密度也不會變得太高而促使不相容原理停止進一步的核融合。這些星球能夠進一步把碳原子核融合成更重的元素。這樣的融合反應也能釋出動能，但是接下去的各個反應所釋出的能量愈來愈少。兩個12C原子核融合成鎂廿四 (24Mg) 核的過程所釋放出來的能量，只不過是質子─質子循環反應的十分之一而已。但是星球仍必須大量釋放動能，否則就得面對一直收縮的命運。事實上，大質量恆星會經歷一連串的融合反應，但是因此而釋出的動能愈來愈少，這當中產生從碳到鐵的所有元素，直到融合反應再也無法釋出動能為止。
鐵是這條生產線的終點，因為想要製造比鐵五十六 (56Fe；每個原子核具有26個質子及30個中子)還要更重的元素，我們必須{添加}動能進去。換句話說，融合比鐵的原子核的反應會使質能減少、動能增加；但是要融合比鐵還重的原子核，反而會造成質能增加而動能減少
^2。核心大部分都已經融合成56Fe的恆星，就再也沒有新的融合反應（即使效率比較低的反應也沒有）能夠釋放出更多的動能。像這樣的星球，要是它的中心密度尚未高到使不相容原理發生明顯的作用，那麼它就已經耗盡了所有足以支撐住核心，以抵擋重力塌縮的所有方法。
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腳注^2： 因為融合56Fe及之前的元素都會釋放動能，我們想要逆轉這個過程──也就是打破這些輕的原子核──就必須供應能量。相反的，由於製造比鐵還複雜的原子核必須輸入動能，因此當這些重原子核（例如鈾原子核）分裂時我們就能獲得動能。
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圖.6.6 在塌縮的星球核心中，物質的密度無比龐大，弱作用力使得電子與質子能夠相互結
合。在「一般」的物質密度下，這是絕對不會發生的。這些「弱反應」使質子與電子作用產生中子及微中子。
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所以核心就因為自己的重力而塌縮，在不到一秒的時間內縮小到原來大小的千分之一。為什麼不相容原理無法阻止塌縮發生呢？原因在於在塌縮的核心內部溫度極高，以及電子和來自撞碎原子核的質子相結合。當這樣的一顆星球的核心塌陷時，原子核之間彼此撞擊，塌陷本身則提供打破鐵原子核成為質子與中子所需的能量。質子接著和電子結合，產生中子與微
中子，這是一個幾乎和個別中子衰變相反的反應^3（圖6.6）。
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腳注^3： 由於弱作用力的關係，任何孤立的中子在約十分鐘內會分裂（衰變）成一個質子、一個電子，與一個反微中子。如果我們想像完全相逆的過程，我們必須提供一個質子、一個電子，以及一個反微中子，才能形成一個中子。一個類似的相逆反應則是引進一個質子以及
一個電子，以製造一個中子與一個微中子。
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質子與電子這樣的結合是由弱作用力主宰的弱反應。由於電子不會感受到使質子與中子結合在一起的強作用力，電子通常不會像質子與中子般和原子核融合在一起。還有，使帶相反電荷的電子與原子核相吸引的電磁力，總是讓電子{繞在}原子核周圍，而不會造成它們彼此融合。因為重力在基本粒子的尺度下是微不足道的，因此弱作用力成了結合電子與質子的方方式。正如其名所顯示，弱作用力造成這種結合的成功率通常很低，但是如果星球核心的溫度達到幾十億度，且密度達到每立方公分數十萬克（這樣的密度仍不足以讓不相容原理對電子產生明顯的效果），那麼電子的確就會和質子結合。而當電子消耗完後，星球也失去讓電子以不相容原理的作用撐住自己的機會。質子與電子的結合使得星球核心繼續其突然而劇烈的塌縮，而塌縮的本身則提供了夠高的溫度與密度，造成質子與電子的結合。
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<第二類超新星> (The Second Type of Supernova)
我們剛剛敘述的，是天文學家所謂的「第二類超新星」 (Type II supernova)的由來 ，這些星球是核心一旦幾乎變成全是鐵原子核時，核心會發生塌縮的大質量恆星。另外還有一
種超新星，叫做「第一類超新星」 (Type I supernova)。很奇妙地，這種超新星來自雙星系統中的白矮星，當它接收來自伴星的物質時（例如伴星在紅巨星階段時脹大）所造成的。如果落在白矮星上的物質富含質子（紅巨星的外層大氣就是如此），那麼這些物質能累積在白矮星的表面，當溫度達到質子能融合的程度時，便會忽然爆發。這種在一般恆星核心發生的「核子災變」一再在白矮星的表面重演。由於沒有東西包住這團核子大火，這場爆炸一下子全面引發，將白矮星以及累積在它上面的物質炸散。
天文學家目前估計，大約有一半的超新星屬於第一類，也就是白矮星造成的超新星，而另一半屬於第二類，也就是核心塌陷造成的超新星。雖然這兩類的爆炸都發生在特殊恆星（或是恆星系統）生命的晚年，它們發生的情況卻是不同的。但是以它們對宇宙的影響來看，這兩類超新星有個顯著相同的地方：它們都造就了今日的我們。
<超新星產生的重元素> (The Production of Heavy Elements in Supernovae)
大質量恆星核心的塌縮，或是白矮星表面的「核子災變」，都花不到約一秒鐘的時間。對該恆星以及對宇宙的其他部份來說，這都是重要的一秒鐘。在大質量恆星核心塌縮的過程中，原子核彼此相撞擊，引發了無以數計的融合反應。這些撞擊的結果多半使得原子核（像是鐵五十六，以及類似種類的原子核）分裂成其所組成的質子與中子。但是除此之外，這樣的撞擊還能產生少量比鐵重的原子核，例如汞、銀、鉛、金、鉑，以及鈾等。總之，恆星的塌縮用掉了最後所剩用的能源 --- 也就是用來撐住核心的能量 --- 以製造這些重元素。
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累積來自伴星物質的白矮星，其表面發生的核融合，也能以類似的方法產生少量比鐵重的元素。這兩種超新星都對宇宙重元素的供應有所貢獻。（除此之外，有一小部分貢獻來自老化的恆星，它們基本的核融合會產生一些重元素的副產品，當這些星球膨脹成紅巨星時，會將這些元素緩緩地推向太空。）
當我們檢視構成地球與生物體的元素時，會發現它們的含量有顯著的不同。那些在大質量恆星的核心爆炸前千百萬年間所製造出來的元素 --- 如碳、氮、氧、鋁、矽，及鐵 --- 的含量，都比那些在塌陷的一秒鐘內所製造的元素 --- 如鉬 (molybdenum)、銀、鉑、金、及汞 --- 的含量多得多（圖6.7）。事實上，活生物體內幾乎全是由比鐵輕的元素所構成，也就是由含量比較豐富、早在恆星塌陷之前就已經製造出來的元素所構成。比鐵重的微量元素當然對地球上的生物體有其重要性。同樣的，地球的物質超過百分之99.9 是由比鐵還輕的元素所構成，但是在恆星生命的最後一秒鐘所產生的少量銀、金、以及鈾等元素，在人類的歷史上
也有它們的地位；部分原因就是因為只有在短暫的時間內能製造這些元素，以致於它們非常
稀有。
這些元素是如何被塌縮的恆星向外拋出的呢？ 塌縮恆星內部快速的核反應除了產生重原子核以外，也因為質子及電子間高能量的碰撞而製造出巨量的中子。這些中子迅速形成一個稱為「中子星」 (neutron star) 的核心，這是完全由中子組成，直徑只有幾公里大小的天體（圖6.8）。中子和電子一樣都符合不相容原理，也因此無法被擠壓超過某個密度值（和電子的值差不多）。當中子拒絕進一步的擠壓時，外層的物質掉落到剛形成的中子星的表面，同時將中子星稍微壓小了一點。這個壓縮中子星的效應產生一個向外的「反彈」，就如同一個被捏壓的彈力球一般。反彈的作用引發外層向外的爆炸，產生出巨量外送的能量，成為恆星迴光返照的最後一口氣。這個突如其來的爆發象徵星球內部區域已經塌縮，而產生了一個極為緻密的中子星核心（圖6.9）。
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圖6.7 從最輕、同時含量最豐富的氫與氦，一直到重元素，豐度很快地減少。注意豐度用的是對數尺度，每一格代表10倍，同時注意碳以後的元素，凡是擁有雙數質子數者要比鄰近單數質子數的元素豐度來的高，這是因為很多元素都是與4He核融合而產生的。
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像這樣的超新星爆炸對於恆星周圍行星上的生命是致命的一擊。即使我們假設這些行星上的生物能夠設法克服超新星之前的恆星演化，而存活了下來，然而當星球輻射的能量愈來愈大時，最後的爆炸會讓所有的準備都功虧一簣。大多數的超新星每秒鐘釋出的能量是太陽的上億倍，甚至數十億倍，同時會維持達數周或數月之久。對於一個像地球這樣的行星而言，這所造成的影響，會比把太陽移到月球的位置所造成的後果更嚴重。事實上，這樣的比喻差遠了；把超新星釋出的能量對鄰近行星的影響，比喻成一個近距離氫彈爆炸的情形，還比較貼切一點。
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圖6.8 中子星的直徑大約10公里，包含的質量比太陽還多，幾乎完全由中子組成。這些中子靠著不相容原理支撐住，而形成單一的晶體結構。
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圖6.9 一般相信有一類超新星來自於恆星核心塌縮，它們將自己極度擠壓後造成向外的「反彈」。這個反彈引發一股震波向外傳播，所遭遇的物質密度愈來愈低，以致速度愈來愈快，同時以近光速的速度將星球的外層炸向太空。
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從遠處觀之，超新星爆炸是很精彩而安全的。一個大型的螺旋星系 --- 例如我們的銀河系 --- 每50年到100年會出現一顆超新星。本世紀最壯觀、離我們「最近」的超新星於1987年的2月23日發生在離銀河系最近的星系，也就是大麥哲倫星雲中（圖6.10）。天文學家當時在以前看不到星球的地方，看到一顆新出現的星球。超新星之前的恆星通常都太暗而看不到，而超新星卻可以比之前的恆星明亮了十億倍，這要比一個中等大小的星系還來得明亮（見圖5.2）。在幾個月之內，這顆超新星逐漸變暗而看不到。雖然爆炸總共釋出的能量聽起來很驚人，但其實還不到在這個壯觀事件之前的數十億年當中，恆星穩定輻射出的能量。
天文學家上一次在我們銀河系中看到超新星是在1572年及1604年，而中國有關超新星的天文記錄更回溯達三千年。圖6.11所顯示的超新星遺骸來自一顆爆炸的星球，在1054年出現在我們的天空，在西歐洲完全沒有記載，但是卻被中國及伊斯蘭的學者觀察到了。平均說起來，大約每50年到100年會有一顆超新星爆炸，因此我們預計很快可以看到銀河系中出現另外一顆超新星。如果考慮到將看到的下一顆超新星可能離我們數千光年之遠 --- 過去的三顆也的確是如此 --- 我們幾乎能確定這顆星球其實已經爆炸了，但是它的光還沒有到
達地球。在鄰近的星系裡，我們每一年都能發現幾顆新的超新星。
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圖 6.10 在1987年一顆超新星（中間下方）出現在大麥哲倫星雲（距離銀河系50,000秒差距） 當中。這顆超新星實際上是在165,000年以前爆炸的，也是自從1604年以後，我們所看到距離最近的超新星。
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圖6.11 蟹狀星雲 (Crab Nebula) 位於金牛座的方向，距離約2,200秒差距，是在1054年所看到一顆星球爆炸後的遺骸，事實上該星是在那之前約7000年就已經爆炸了。
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在像我們這樣的星系中，第一代的恆星是由大爆炸產生的物質所形成，這些物質幾乎全是氫原子核及氦原子核，加上電子、微中子，還有反微中子。大爆炸後不久，物質中比氦還重的原子核所佔的比例不到百萬分之一，因此這些第一代的恆星幾乎沒有比氦還重的元素。這些星球到現在已經全部消失了。我們現在看到的最古老的恆星，稱為第二類星族 (Population II stars) ，應該是稍微晚一點才形成的第二代恆星。和類似太陽的恆星比起來，第二類星族含有較少的「重一些」的元素（碳、氮、氧、氖等等），而類似太陽的恆星當中，這些種元素的含量則大約是質量的百分之一。化學成分與太陽類似的恆星叫做「第一類星族」 (Population I stars)，它們形成的時間應該是在第二類星族{之後}。大多數早期恆星的質量可能非常大，相當於太陽的好幾倍。這些星球因此快速（在不到數十億年內）經歷了釋放能量的生命期，而後發生超新星爆炸，把較重的元素（從碳一直到鈾之間的各種元素）拋向整個星系。
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接下來的第三代恆星包括目前我們銀河系中大多數的恆星，其重元素的含量與我們的太陽類似。這些星球百分之一到二的質量是由比氦重的原子核所構成，這些原子核是在其他的恆星中製造而成，隨後當恆星爆炸時被播撒在太空之中。像地球這樣的行星算是這些燒光了的恆星的灰燼，這當中宇宙含量最豐富的元素 --- 氫及氦 --- 幾乎已經完全消散，只剩下一些重元素，而這些重元素中有很多是生命所必須的。
<宇宙射線> (Cosmic Rays)
這樣子應該已經夠了，但是超新星在生命演化上，似乎還有另外一項貢獻。我們知道超新星的外層以極高的速度炸向太空。由於在超新星現象發生之前的恆星當中，距離中心愈遠的物質密度愈低，毀滅性的內縮以及隨後的反彈所產生的震波，在向外的運動過程中，會因為所遭遇到的物質愈來愈少而加速。所造成的結果就是超新星最外層達到驚人的百分之99.9光
速的速率，或甚至更快。這些外層很快變成宇宙射線的粒子，也就是以近乎光速運動的電子、質子、氦原子核，以及更重的原子核。這些宇宙射線（其實是高速運動的基本粒子）充斥在我們的銀河系當中，以每秒幾十億個的數量落到地球大氣的頂端。幸好，我們的大氣層擋住了大部分宇宙射線粒子，讓它們無法到達地球表面，使我們免於一場致命的淋灑，否則我們知道的生命都會在幾個世代內就被毀滅掉了。有些宇宙射線能滲入星際中的分子雲，造成氫原子游離，而引發如圖4.8中所顯示，分子形成的過程。
那些終究還是抵達地球表面的宇宙射線，對於我們的存在可能扮演了關鍵的角色。這些宇宙射線粒子和來自輻射性礦物的粒子同樣都是快速運動的粒子（也是超新星爆炸的產物！），是造成突變 --- 在生命代代相傳時，個別基因突然的變化 --- 的原因之一。這些變化提供演化的基本雛形，讓同一物種在繁殖過程中有不同程度的成功。大多數的突變會減低個體存活的能力及生殖的能力，因此這些突變所造成的特性很快就從一般群體中消失，但是由於基因中某些特有的突變，一些個體會成功。如果宇宙射線的確會引發突變，那麼超新星爆炸不但供應了製造你我的原始材料，而且還提供了生物得以演化所需要的一些變化。
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超新星會摧毀地球上的生命嗎？有可能。如果爆炸的是離我們最近的十萬顆星球之一 --- 也就是離太陽系200光年方圓之內的其中一顆星球 --- 那麼爆炸所產生的宇宙射線會使地球上的生命（起碼就我們知道的生命形式而言）完全滅絕。在距離最近的十萬顆星球當中，我們預計約每十億年（大約是地球上已經存有生命的時間）就會有一顆超新星爆炸的事件。就長遠來看，超新星爆炸可能是某個行星文明能夠存活多久的主要因素，但是高度進化的文明有可能會知道如何預測超新星事件，而能夠以我們目前所不知道的方法保護他們自己。
<脈衝星：宇宙的燈塔？> (Pulsars: Cosmic Lighthouses?)
先鋒10號與先鋒11號兩艘太空船於1972年及1973年由甘乃迪角發射，加速離開地球，在將近兩年的飛行後抵達木星。發射後廿年，它們各自飛行了九十億公里，遠比已知的所有行星都更遠離太陽。先鋒號再加上兩艘探險家號太空船（見第??頁）是人類所送出最深入太空的物體。在十萬年後，這些太空船所飛駛過的距離會相當於太陽與其最近恆星的距離。但是這些太空船並非飛向半人馬座α星，而只是駛向深邃的太空。
兩艘先鋒號太空船都攜帶了一塊15公分乘以25公分的鍍金薄片，其上繪製了有趣的圖樣（圖6.12）。在發射時最引（地球）人注意的是圖畫的右半部份，顯示一男一女站在太空船艙的示意圖前（用來標示相對的大小）。圖樣的最上端繪製的是氫原子的自轉躍遷（見第??頁），而下端則顯示太空船從地球（距離太陽第三顆行星）發射的路徑。
圖樣的左邊，有如蜘蛛網一樣的線條是代表什麼呢？如果在千千萬萬年以後這個薄片被遙遠的某個文明發現，而他們想要知道薄片來自銀河系中的哪個角落，這個圖是沙岡 (Carl Sagan) 及德瑞克 (Frank Drake) 兩位天文學家所能想到用來敘述太陽在銀河系中位置最好的方法。蜘蛛網中的每條線代表從太陽系指向附近某個「脈衝星」 (pulsar) 的方向。脈衝星是種奇特的天體，它們以精確的時間間隔發出電波或是光波的脈衝。時間的間隔是用氫原子的自轉躍遷頻率為單位（所以需要上端的圖），而這14條線則用二進位的數字標明了這些脈衝的間隔。
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圖6.12 首先離開太陽系的先鋒10號與先鋒11號太空船，船艙上所鑲的金屬片上繪製了太陽系所在位置的地圖（左），以及兩個人類的姿體和太空船大小相比的圖像（右）。我們完全不知道發現太空船的其他生命能否從圖像中解讀這個不容易看懂的地圖：地圖中以相當明亮的脈衝星的相對位置來標明太陽系的位置，而這些脈衝星的脈衝週期則以氫原子自轉躍遷的頻率為單位來表示。
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雖然在未來至少幾千個世紀中，先鋒號上的金屬片只有我們自己欣賞，但卻表明脈衝星由於發出脈衝的時間間隔彼此不同，而可以如信號燈塔般，做為宇宙的標識。當某個文明想要將其所在的確確實位置告訴另一個文明時，脈衝星可能會有極大的用處， 這是因為它們各自特有的脈衝間隔，使得在銀河系中即使隔了遙遠的距離仍然能夠辨別。
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什麼原因使得脈衝星產生如此計時精確的訊號呢？我們又一次面對了超新星爆炸在尋找外星生命方面所扮演的重要角色。脈衝星來自中子星，也就是星球中心爆炸後所剩餘下來的塌縮星體。塌縮使得核心擠壓得非常緊，以致於星體整個轉變成中子。 還有，星體的核心旋轉得非常快速，磁場也極其強大，這兩個特性都是因為一個原先比較大的物體（塌縮之前的核心）壓縮變小了許多而造成的結果^4。
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腳註：^4 壓縮加快核心的自轉，也增強磁場，增加的程度和核心縮小程度的平方成正比。舉例來說，如果核心在塌縮之前每個月轉一圈，而半徑從譬如說40,000公里縮小到中子星的半徑，大約只有20公里，那麼自轉便會增快4百萬倍（2000的平方等於4百萬）。
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在中子星的表面附近，當中子衰變成質子、電子，以及反微中子時，會不斷湧現一些帶電粒子（在恆星的內部，這樣的衰變很快被由質子與電子融合成中子與微中子的反應所抵銷），這些帶電粒子迅速被旋轉的磁場加快到將近光速的速度。
大規模旋轉加速以及磁場增強的結果，使得由塌縮核心所剛形成的中子星，有如一個超級緻密、快速旋轉的磁鐵，其磁場在每秒鐘內飛快地轉動好幾圈（圖6.13）。任何殘存在星球表面附近的帶電粒子，會被磁場的運動加速，而沿著磁力線螺旋飛出。部分帶電粒子會以相當巨大的能量逸向太空，加入當初超新星爆炸所發出的宇宙射線。更重要的是，被旋轉磁鐵所加速的帶電粒子會發出我們在第？？頁所談到的同步輻射。這些光子使我們在可見光及電波頻率看到脈衝星的存在。
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圖 6.13 當快速旋轉的中子星的磁場以高速掃過周遭的物質，並且牽動帶電粒子時，中子星附近會發出電波以及可見光輻射。當加速到接近光速的粒子通過磁場時，便產生同步輻射。
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此種輻射過程會降低星球的旋轉動能；能量先是傳給被加速的粒子，然後轉變成同步輻射的光子。因此中子星的動能必須減少，自轉便逐漸從每秒千、百次減慢到每秒10次、4次、兩次，或甚至更慢。這個減慢的過程是極其從容不迫的，程度差不多是自轉速率的每年千分之一。
在截至目前發現的數百顆脈衝星當中，每顆都發出極具規律的光子脈衝，這些連發訊號的間隔從每4秒1次（最慢的）到每秒641次（最快的）。通常我們在電波波段偵測到這些光子脈衝，但是兩個最有名的脈衝星在γ射線、X射線，以及可見光波段也都發出和電波脈衝同步的脈衝。
根據目前最佳的理論，脈衝星之所以用脈動的方式 --- 而非持續地 --- 發出光子，是因為脈衝星的磁場和自轉軸並非完美地對齊（圖6.14）。經由同步過程發出的光子大多沿磁場的方向射出，因此當中子星自轉時，我們便看到有如燈塔燈號般的現象：有時候收到全部的光子，有時候只收到一小部分，而以這樣的形式一再重複。
如上面所討論的，中子星自轉的速率會逐漸減慢，因此雖然來自脈衝星的光子很有規律，卻不是絕對規律的。像是在1054年看到的超新星爆發所留下的遺骸，也就是在蟹狀星雲的中心區域（圖6.11），我們找到一顆脈衝星，它每秒閃爍33次，是在已知脈衝星當中，轉得最快的其中之一（圖6.15）。因為轉得快，我們得以推斷這應該是顆年輕的脈衝星，而因為我們確實知道它是在九百多年前出現的，因此得以證實這個推論。精確的測量顯示脈衝的週
期正在增加：脈衝彼此相隔的時間每年大約增加十萬分之一秒。
當天文學家在1967年第一次偵測到脈衝星時，他們有段時期曾經懷疑是不是找到了第一批人為的星際標識，也就是來自另一個文明，相當於我們的燈塔訊號。地球上每個燈塔都以某個精確的時間間隔發光，以致航行員得以測量閃光間隔的時間來判斷看到的是哪一座燈塔。脈衝星也能巧妙地扮演同樣的角色，例如「先鋒號」太空船的金屬片上面就利用脈衝星來標記。然而脈衝星雖然令人印象深刻，卻是完全天然的宇宙計時器。
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圖6.14 在許多脈衝星當中，中子星的自轉軸沒有和磁場的南北極連線重合。其結果是中子星輪流顯現出強度較大或較小的同步輻射區域，因而產生間隔規律的脈衝。
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因為多數的脈衝星只是緩緩變慢，即使千萬載後脈衝間隔增長了一些，其他的文明仍能辨認出先鋒號上金屬片所記載的脈衝星。把金屬片上所描述的脈衝星間隔，與發現當時的間隔相比較，就可得知脈衝星減慢的程度，高等外星文明應該能就夠像我們一樣，在幾年內就能測量出那些脈衝星減慢的速率，進而就能判斷太空船發射的年代。金屬片不但說明它來自何處，也表明它來自何時。
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圖 6.15 在蟹狀星雲的中心有個脈衝星在可見光與電波的波段每秒鐘閃爍33次。左圖是脈衝星在「開」的狀態下重複曝光的照片，而右邊則是脈衝星「關」的時候的照片。
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由於星球間無垠的空間，先鋒號的金屬片幾乎沒有被其他文明發現，進而予以解讀的機會。但是假使這個情況卻發生了，爆炸的星體便將扮演重要的角色，一方面它們製造構成地球生命所需的關鍵元素（包括組成金屬片本身的元素！），另一方面藉由它們身後留下的脈衝星，用來指引我們所在的位置。在這之前，這些金屬片只能算是地球人自己引以為傲的某種「太空藝術品」，因為就我們目前所知，還沒有其他文明得以欣賞。如果我們的確想要向其他有知覺的生物展示藝術（或它們要向我們展示），我們就必須瞭解它們生物上的演化，而為了達到這一點，我們必須先從我們確實知道組成與歷史的生命型態 --- 也就是地球上的生命 --- 開始。
<結語>
隨著星球老化，它們終會耗盡儲存在核心的質子，因此星球失去原來由質量能釋放出運動能的能力。有一段時期，星球尚能藉著收縮核心區域，來彌補質子愈發不足的情況，因為如此可以升高核心的溫度，而使剩餘的質子以愈來愈快的速率融合在一起。利用這種方式所釋放出來的能量，會使星球的外圍包層膨脹，而在過程中冷卻少許，產生一顆紅巨星，擁有巨大的外層，以及一個微小而快速融合的核心。
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紅巨星的核心最後會收縮到足以點燃核融合，將氦核融合成碳核。這個氦閃的過程會暫時使核心擴展，但當所有氦核都融合成碳以後，核心再次變得愈發稠密，星球也才能夠抗衡本身的重力遢縮，因而維持平衡。
小一點的恆星在把氦核融合成碳核後，核心會停止收縮。此時星球內部非常稠
密，藉著不相容原理使得電子不致於被擠得更緊實。電子透過電磁力抓住原子核，使其免於進一步壓縮，以致不相容原理能撐住整顆星球，以對抗本身的重力。在星球的外層消散後，裡面的核心則成為白矮星，開始緩慢趨於晦暗的漫長歲月。
比太陽大約1.4倍的白矮星是不存在的。這些質量比較大的星球在年老後，多半會發生超新星爆炸。之所以會有這類的超新星，是因為大質量的恆星在核心將氦核融合成碳核時，星球的核心並不會像低質量恆星一般，變得非常稠密。相反的，
這些星球會把碳融合成愈來愈重的原子核，而釋放出能量。然而一旦星球的核心
幾乎全是鐵原子核時，便再也沒有可以產生能量的反應，於是星球的核心就塌縮了。
塌縮產生一個微小而極其緻密的中子星，向外的反彈則引發星球外圍包層的爆
炸。這個爆炸產生一個無比光亮的物體，叫做「超新星」，亮度持續數週，甚至
好幾個月。這樣的超新星在其所在的星系中散播重元素的種子，也可能製造了大
部分的宇宙射線（以幾近光速行進的原子核及電子）。突變使得地球上得以發生演化，而一些突變反應可能就是宇宙射線造成的。
大自然還有另一種製造超新星的方法。這第二類超新星來自繞行鄰近伴星的白矮
星。如果白矮星的表面累積了足夠質量，它便能引爆富含質子的物質，而在瞬間
的爆炸中產生融合，這樣的爆炸與單獨的大質量恆星，在核心收縮後所產生的爆炸類似。
中子星是塌縮恆星的核心，由中子組成，直徑只有數公里。剛形成時，它們轉得
很快，磁場也很強。這些自轉的磁場就是脈衝星，它們以驚人的間隔規律產生重複的光子脈衝，這些光子來自帶電粒子，它們被中子星快速旋轉的磁場加速到幾近光速。
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<問題>
1. 當恆星中心區域絕大部分的質子都融合成氦核時，會發生什麼變化？恆星的
外層又有何變化呢？
2. 是什麼原因讓白矮星不致塌縮？不相容原理如何維持白矮星內的碳原子核
不致被擠壓到星球的中心？
3. 白矮星內部有核融合反應嗎？ 白矮星仍能發光的原因何在？
4. 哪種星球不會以白矮星的形式結束它們的生命？這些星球的主序生命期比起其他星球是來得長還是短？ 為什麼？
5. 沒有能夠成為白矮星的星球其命運為何？ 它們的命運對後代恆星的形成有 何重要性？
6. 在1604年我們銀河系中所出現的那顆超新星，離我們的距離約是5000秒差
距。實際的爆炸大約發生在哪一年？
7. 在1885年出現在仙女座星系的超新星，離我們約600,000秒差距，距離約是
1604年超新星的100倍。這兩個超新星實際上各是哪一年爆發的？
8. 為什麼第一類星族比第二類星族在質量上包含更多比例的重元素？ 我們為
何要區分重元素與輕元素呢？ 太陽是屬於哪類星族呢？
9. 宇宙射線為何物？ 超新星的哪一部份可能會產生宇宙射線？
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進階參考資料