宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星

看星星，是大多數人接觸天文的契機。滿天星對於被光害荼毒的都市人是一種奢侈，然而古時夜無燈火，總有許多靜謐無光的夜晚，讓人們一同仰望星空，思索空中的奧秘。多數星星安靜地閃爍，它們被人類賦予了神話故事，成了現在為人所知的「星座」，另外還有少數幾顆不安分地移動著，它們看似有規則在移動，但有時候又會逆行，這些在天空中漫遊的星星，我們就稱它為「行星」。在極少數的情況，我們會發現過去未曾注意到的星點，猶如初來乍到的旅客，古時中國稱之為「客星」（註一）。現在我們知道，這些看似新生的星，實則氣數已盡。利用強大的各波段望遠鏡，人類偵測到大量「新」光，並提出多種機制來解釋星光快速且劇烈改變的現象。

　　本文將介紹 3+1 種天文現象，分別為「新星（Nova）」、「超新星（Supernova）」和「極亮超新星（Superluminous supernova / Hypernova）」，以及「千級新星（Kilonova）」。前兩者的觀測歷史源遠流長，後兩者則歸功於現代觀測技術的發達，讓我們得以一探究竟。

新星(Nova)：我可一點都不年輕！

　　新星（Nova）來自拉丁文，有「new」之意。過去人們仰望寧靜無波（一成不變）的星空時，偶然發現了一顆從未見過的星星，便稱之為「新星」。但如今我們知道，新星其實不是剛誕生的星，反而是古老的小質量恆星，在它們的生命終章 ── 白矮星時期突然變得異常明亮。

　　白矮星，是小質量恆星死亡後的產物，緻密、溫度高，但亮度低，平常不易觀測。一般而言，白矮星是非常穩定的天體，然而若其身邊有個伴，情況就不同了。當互繞的白矮星和伴星距離過近，使得伴星的氫被吸向白矮星表面，並在其表面點燃了核融合反應，便會讓白矮星發生劇烈的光度變化，就成了上述用肉眼就能看見的「新星」。

　　近年天文學家發現，新星的出現常伴隨著強烈的伽瑪射線，推測是來自新星爆發時產生的衝擊波。後續研究指出，新星的高光度也是以衝擊波作用為主，而不是來自表面的核融合反應，打破了既有觀點。(1,2)

超新星(Supernova)──宇宙中的燦爛花火

　　超新星，顧名思義是新星的 Super 版，比「新星」更亮的「星星」──天文名詞總是取得如此淺顯易懂（笑）。超新星的光度遠超越新星事件，其形成機制也有所不同。

　　目前科學界認為超新星有兩種不同的形成機制，分別為「熱核超新星（Thermonuclear supernova）」與「核心塌縮超新星（Core-collapse supernova）」。

　　「熱核超新星（Thermonuclear supernova）」其前身和新星一樣是白矮星，然而熱核超新星爆炸是毀滅性的──當白矮星的質量增加並來到臨界（稱為錢德拉賽卡極限 (Chanfrasekhar limit)），引爆其核心的碳，劇烈爆炸將使白矮星灰飛湮滅。質量增加的原因，依舊來自白矮星身邊有個伴──可能是兩個白矮星白頭偕老、最終合併，也可能和新星一樣是老少配、白矮星吸走較年輕伴星的表面物質。究竟是哪種配對導致熱核超新星爆炸，天文學家還在熱議（聽起來好八卦）。

　　「核心塌縮超新星（Core-collapse supernova）」則來自大質量恆星核心塌縮後造成的熱壓爆炸。當大質量恆星的核心燃料用罄，無法支撐極強的重力而導致塌縮，從而產生巨量的熱能並向外爆發，整個過程僅以秒計。爆發形成漂亮的超新星殘骸，核心處則塌縮成中子星或黑洞。

　　值得一提的是，研究超新星是少數能夠串聯古今天文學的領域，歷史上數個著名的超新星爆發事件，在世界各地的文明史料中皆能發現記錄。目前推測人類文明見過最亮的超新星事件是 SN1006 （西元1006年），最亮時甚至比啟明更明（註二），白天也肉眼可見，持續數星期之久。著名的梅西爾天體 M1（蟹狀星雲）也是個超新星爆炸殘骸，自 1054 年的超新星爆發中產生，相關記錄散見史冊，而且至今仍是天文界炙手可熱的研究對象。

+1的部分：極亮超新星（Superluminous supernova / Hypernova）

　　現代觀測技術的進步使超新星事件變得常見，今日多部自動望遠鏡凝視著宇宙虛空，在星際間搜尋著超新星的亮光（這類計畫稱為巡天(Survey)計畫）。在眾多的觀測數據中，天文學家注意到一類特別明亮的「極亮超新星」（令人不禁想吐槽天文學家如此單純的命名邏輯），這些超新星比一般情況亮了兩個數量級以上，並且非常罕見，到2017年止人類僅觀測到約100顆極亮超新星 (3)。由於數據過少，天文學家對其形成機制的想像可謂瞎子摸象、暫無定論，目前仍屬於超新星的範疇。那麼，極亮超新星究竟是超新星的超級版，抑或是來自不同的形成機制，唯有探向更遙遠無垠的古老宇宙，才有機會揭發這個謎團了。

千級新星（Kilonova）── 看見宇宙之音

　　「千級新星」是非常新的天文研究領域，研究過程也極具戲劇性。故事得從科學家研究重力波開始說起。

　　重力波，是來自重力作用產生的時空漣漪，百年前愛因斯坦的理論便預測其存在，然而由於這種時空漣漪非常的微弱，連愛因斯坦本人都不相信人類有朝一日能偵測到重力波。直到 2015 年，人類才首次「聽」到兩顆黑洞合併產生的重力波（註三）。不過，重力波的訊號指向性不佳，難以「聽音辨位」（用重力波訊號回推事件發生地點），若我們能同時「看」到電磁輻射訊號（該事件發出的電磁波），便可蒐集更多更精確的數據，以了解究竟在宇宙何處發生些什麼事。

　　令人難過的是，兩顆黑洞合併幾乎不會產生電磁輻射，因此無法用上述的方法獲得更多資訊。

　　但科學家也發現，當兩顆中子星合併、或一顆中子星與一顆黑洞合併時，雖然發出的重力波訊號較兩顆黑洞合併更弱、也更難偵測，但理論上這兩種事件不只會產生重力波，也會發出電磁輻射，因此是重力波干涉儀的重要偵測目標。

　　2010 年，天文物理學家探討了這兩種合併事件可能的電磁輻射樣態，發現和新星事件一樣會有劇烈的光度改變，而且最大亮度約是新星的千倍，於是命名為「千級新星」(4)。

千級新星的發光機制和超新星有所不同，超新星的光度主要來自爆炸產生的放射性鎳元素衰變，而千級新星則主要來自兩顆中子星，或中子星與黑洞碰撞、合併時大量發生核反應「中子捕獲作用」。雖然此類核反應僅在極端物理環境下產生，但「中子捕獲作用」卻是形成宇宙中重元素（如金、銀、鉛等）的重要機制。過去認為超新星是宇宙中重元素的生產者，然而觀測數據卻發現，超新星爆炸的中子捕獲作用的「產能」並不足以支撐現有的重金屬比例，因此千級新星便躍上研究舞台，被認為是重元素的主要產地。

　　2017 年，LIGO 及 VIRGO 重力波干涉儀共同偵測到人類史上第一場雙中子星合併事件 GW170817，當時世界各地的望遠鏡幾乎都暫停常規任務、爭相投入這場觀測馬拉松。最終的成果令人振奮──不但同時偵測到了重力波與相應的電磁波源，分析結果也與千級新星理論預測的訊號相符，這代表我們首次觀測到了千級新星！ (5) 這場盛會更昭示了「多信使天文學」時代的來臨（註四），重力波探測與多波段電磁觀測的結合，為人類的宇宙探索翻向新的一頁。今日，科學家們正期待著下一對共舞的緻密天體搖響精密儀器的銀鈴，讓更多未解之謎得以撥雲見日。

　　宇宙看似恆常不變，然而在無盡好奇的驅使下，人類以最新科技突破既有的感官極限。我們洞見宇宙深邃瞬變的幽光，聆聽時空悠遠微弱的呢喃。宇宙「新」光的無盡奧秘，還有待來日的勤奮深掘。

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註一：客星指新出現的星，意義上包含彗星等在太陽系內遊走的天體，惟不在本文範疇。

註二：金星是地球的夜空中最明亮的星，清晨及黃昏也可見。古時稱金星出現於黃昏為「太白」、「長庚」，出現於清晨為「啟明」。

註三：重力波是時空產生了震盪。人類聽見的聲音主要來自空氣分子的震盪，只要震盪頻率在人類可聽見的範圍（約20~20000Hz），藉由介質（固液氣體皆可）傳遞使耳膜震動，便是我們聽到的聲音。雖然重力波是時空震盪，無法直接以耳朵聽見，但概念上是類似的，因此常見到科學家將重力波訊號轉換成「音訊」，讓人們以既有的感官來感受。

註四：多信使天文學（Multi-messenger astronomy）指利用多重訊號探索宇宙現象。不同於早期僅以光探看宇宙，如今多信使天文時代來臨，人類能夠探測光子/電磁波、微中子、重力波和宇宙射線（高能帶電粒子），一個宇宙事件或現象會透過這些信使傳達不同面向的資訊，協助我們拼湊出更細緻的原貌。GW170817 事件除了重力波和電磁輻射觀測，亦有微中子觀測站參與，然而並未找到相關聯的微中子訊號，因此理論在這方面尚未得到證實，有待未來解惑。

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文／語星葉，與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹，正在努力成為天文學家。

本文亦刊登於泛科學網站（https://pansci.asia/archives/346478）。

延伸閱讀

參考資料