超新星爆发如何预测？

预测超新星爆发，就像预测一场即将到来的大风暴，虽然我们能看到一些前兆，但精确到“何时何地”依然是科学界最大的挑战之一。目前，我们还没有能力给某一颗具体的恒星打上“将在下周爆发”的标签。但是，科学家们通过观测、理论模拟和对已知超新星事件的研究，已经掌握了一些重要的线索，能够帮助我们“猜测”哪些恒星最有可能在不久的将来变成超新星，甚至在它爆发的初期就能发出预警。

1. 恒星的“年龄”和“类型”：最关键的线索

超新星爆发并非所有恒星都会经历，它主要是由特定质量范围内的恒星在生命晚期发生的剧烈事件。因此，预测超新星爆发，首先要锁定那些“老将”。

大质量恒星 (I型超新星的“潜在父母”)： 质量是我们最看重的指标。质量大于太阳质量约8倍以上的恒星，在生命终点会经历核心坍缩，最终以超新星的形式爆发。这类恒星通常在宇宙中是短暂的“明星”，它们燃烧氢的速度极快，演化速度也很快。
如何“看到”它们的晚期？ 科学家们会寻找那些已经进入生命晚期的恒星。这可以通过观测它们的光度（有多亮）、颜色（偏红或偏蓝）、光谱（它们发出的光被分解成的不同颜色）来判断。
红超巨星： 质量较大的恒星在演化后期会膨胀成巨大的红超巨星。它们体积庞大，表面温度相对较低，颜色偏红。我们知道，当它们的核心核聚变停止，能量输出无法支撑其巨大的引力时，就有可能发生超新星爆发。
蓝超巨星/蓝特超巨星： 有些大质量恒星在演化过程中会再次收缩，表面温度升高，呈现蓝色。蓝特超巨星是目前已知的最亮、质量最大的恒星之一，它们的寿命非常短，是超新星的有力候选者。
我们怎么知道它们“快不行了”？ 科学家们会分析它们的内部结构，通过模型推测核心的燃料（主要是硅、硫等元素）燃烧情况。一旦核心的核聚变停止，无法产生足够的辐射压力来抵抗引力，就会发生灾难性的坍缩。

白矮星 (Ia型超新星的“罪魁祸首”)： 另一类超新星是Ia型超新星，它们是由白矮星引发的。白矮星是质量小于太阳质量约8倍的恒星死亡后留下的致密核心。它们本身不会爆发成超新星。但是，如果一颗白矮星处于一个双星系统中，并且从伴星那里“偷取”物质，或者与另一颗白矮星合并，当它的质量增加到一定程度（达到钱德拉塞卡极限，约1.4倍太阳质量）时，就会引发失控的碳核聚变，最终导致整个白矮星爆炸，形成Ia型超新星。
如何“看到”它们？ 寻找双星系统是关键。
伴星提供物质： 我们会寻找那些有可见的伴星（可以是红巨星、主序星甚至另一颗白矮星）并且表现出吸积现象的白矮星。吸积通常会产生X射线辐射，这是我们探测的信号。
质量增长的迹象： 伴星物质被吸积到白矮星上时，会在其表面堆积，当堆积的物质达到一定厚度并升温到足够高时，会发生热核反应，产生短促的X射线爆发（称为Xray bursts）。连续的X射线爆发表明白矮星正在稳步增加质量，接近爆炸的临界点。
双白矮星合并： 寻找两颗白矮星紧密绕行、并且轨道正在收缩的双星系统。随着时间的推移，它们会越来越近，最终发生合并。

2. 观测的“前兆”：抓住爆发的瞬间

即使我们能锁定潜在的超新星候选者，但要真正“预测”爆发，还需要捕捉到一些更直接、更近期的信号：

光度变化： 恒星在爆发前的几个月甚至几年，可能会出现一些异常的光度变化。例如，某些大质量恒星在爆发前会经历数次非对称性的爆发或喷流，这些事件会暂时增加其亮度，或者改变其光谱。
“涌现”（Outbursts）： 一些大质量恒星，如红超巨星，在爆发前数年或数月，可能会出现亮度突然增加的现象，有时伴随着物质的喷射。这是恒星内部结构发生剧烈变化，准备“挤压”出最后一层外壳的迹象。
“变光”： 恒星的亮度并不是一成不变的，许多恒星都有周期性的或非周期性的亮度变化。如果一颗恒星的亮度变化变得越来越剧烈、越来越频繁，或者出现我们之前从未见过的模式，那可能就是它生命终结的信号。

光谱的变化： 恒星的光谱是我们了解其化学成分、温度和运动状态的金钥匙。
氢线消失或变化： 大质量恒星在爆发前，其外层氢会逐渐被剥离，或者内部更重的元素（如氦、碳、氧）会开始出现在其光谱中，改变了可见的氢光谱线。
“潮汐瓦解事件”的特征： 如果是白矮星与恒星（非另一颗白矮星）在双星系统中过于靠近，白矮星强大的引力可能在靠近时就开始撕裂伴星，产生特定的“潮汐瓦解事件”的痕迹，这也可以暗示白矮星在“作妖”。

中微子信号： 对于核心坍缩超新星，爆发的核心过程会产生海量中微子。这些中微子以接近光速的速度逃逸，比光信号要早到几小时到一天。
“中微子预警”： 科学家们正在建立全球性的中微子探测网络。一旦探测到来自某个特定方向的、数量异常集中的高能中微子流，就可能是在预示着一场核心坍缩超新星爆发即将在该方向发生。这是目前最接近“实时预警”的手段，因为它能提前数小时到一天通知我们。

3. 理论模型和计算机模拟：推演未来

科学家们不只是被动观测，他们还在不断地发展和完善恒星演化模型。

恒星内部物理： 通过复杂的计算机模拟，模拟恒星内部的核聚变过程、能量传输、物质对流等物理过程。
计算核心寿命： 根据恒星的质量、化学成分以及核反应速率，计算其核心燃料（氢、氦、碳、氧、硅等）的燃烧时间。当某个燃料层燃烧殆尽，无法产生足够压力支撑时，就意味着该恒星正走向爆发的边缘。
模拟核心坍缩： 当恒星核心坍缩时，会发生一系列复杂的物理过程，模拟这些过程有助于我们理解爆发前的各种迹象，并找到可能的预警信号。

双星演化模拟： 对于Ia型超新星，模型还需要模拟两颗恒星在双星系统中的相互作用，包括物质转移、轨道演化以及最终的合并或爆炸。

4. 现代观测技术：天网恢恢

如果没有强大的观测设备，这一切都只是纸上谈兵。

全天巡天望远镜： 许多天文台都在进行不间断的全天巡天观测。它们会定期拍摄天空中的各个区域，然后将新拍摄的图像与过去的图像进行比较。
“差异成像”： 通过自动化软件，对比两张图像，找出亮度发生显著变化的恒星。这些“变星”中的一些，可能就是超新星爆发的候选者。
高频监测： 一些巡天项目，比如“全天时超新星搜索”（如ZTF、LSST等），以非常高的频率覆盖天空，能够捕捉到超新星爆发的早期阶段，甚至在它们变得足够亮到肉眼可见之前。

大型地面望远镜和空间望远镜： 当发现潜在候选者时，科学家们会动用更强大的望远镜（如哈勃空间望远镜、詹姆斯·韦伯空间望远镜，以及地面上的大型光学望远镜）对其进行详细的光谱和亮度分析，以确认其类型和演化阶段。

目前我们能做到什么程度？

1. 识别“高风险”恒星： 我们可以识别出那些已经处于晚期演化阶段的大质量恒星（如红超巨星、蓝特超巨星）以及处于可能发生物质吸积或合并的双星系统中的白矮星。
2. 早期发现爆发： 通过全天巡天，我们可以在超新星爆发的早期阶段（例如爆发后的几小时到几天内）就发现它们，并在它们达到最亮时发出“超新星爆发警报”。
3. 潜在的中微子预警： 一旦中微子探测器捕捉到异常信号，我们可以提前数小时到一天预告某片天区可能即将发生超新星爆发。

我们还没有做到什么？

精确到“秒”的预测： 我们还不能准确地告诉某一颗恒星“将在明天上午10点爆炸”。
预知所有超新星： 宇宙非常广阔，很多超新星爆发可能发生在我们观测不到的方向，或者被星际尘埃遮挡。

总而言之，预测超新星爆发是一个多学科、多技术的综合性任务。它依赖于我们对恒星物理的深刻理解、对宇宙的持续观测、以及不断发展的理论模型和观测技术。随着科学的进步，我们对这些宇宙中最壮丽的事件的预知能力也在不断提高。

网友意见

1987 年，人们观测到超新星 SN 1987A 爆发，其中数十个来自该超新星的中微子触发了世界上当时存在的中微子探测设备，这比该超新星的首个电磁辐射信号到达地球要早几个小时。这被解释为“星体核心坍缩数秒后释放大量中微子，而爆炸冲击波需要数小时才能到达星体的表面并发出光子。中微子比光子更容易穿过发生爆炸的恒星周围受到激烈扰动的物质”。目前测定的中微子速度非常接近真空光速（由于误差或未知机制，有时测出的值还会超过真空光速），至少能提供银河系内超新星爆发的预警信号。因此，超新星早期预警系统可以利用中微子探测器网络监视可能发生的超新星爆发。

观测恒星本身的活动，可以推测其大概有超新星爆发的可能。以目前对超新星的了解程度和观测能力，这对“预测超新星爆发”能起的作用有限。

这并不重要。我们周围没有任何恒星能发生对人类有威胁的超新星爆发^[1]。

• 超新星放出的能量主要由中微子携带，能给天体造成实际破坏的主要是光子能量和抛射残骸的冲击。在光子能量方面，Ⅰ 型超新星在约 0.02 光年外可以轰掉地球大气层，Ⅱ 型超新星在 0.3 光年外可以轰掉地球大气层，极超新星在 2 光年外可以轰掉地球大气层。抛射残骸可以造成很大的破坏，但有效距离很难超过 5 光年。
• 现实中距离地球最近的能发生 Ⅰ 型超新星爆发的天体是飞马座 IK，在 150 光年外；距离地球最近的能发生 Ⅱ 型超新星爆发的天体在 500 光年外。500 光年内没有能产生极超新星的天体，除非你诉诸量子涨落产生的、表现为极超新星的零能量白洞。

一些人对参宿四有不切实际的担忧，那并不必要。

你可以考虑概率并不为零的“太阳系附近存在尚未发现的白矮星，能引起距离地球异常近的超新星爆发，危及人类”，但只要没有大块喷射物直接打中地球，超新星给地球生物圈造成打击的机制就主要是“破坏臭氧层、让太阳辐射和宇宙线攻击地表”，无法期待其本身造成直接伤害。这种照射可以被混凝土·土石地面等制成的掩体、玻璃、金属、海水等稳定地防御。

在预警信号出现后，一部分人可以酌情躲进防核掩体之类（不用特别着急，臭氧层破坏的过程需要数天时间），通常而言民宅里的普通人也不会受到多大影响。高原地区、热带地区的人们在那之后出门时可能需要穿戴简单的防护设备，来减少被晒伤和致癌的风险。

• 地球大气很擅长吸收高能电磁辐射，尤其是伽马射线。但是，这过程会在地球大气里产生氮氧化物，与臭氧发生反应，模型显示 5000 光年外射来的伽马射线暴在全球范围内可以削弱臭氧层 25%~35%，部分地区可达 75%，持续数年。氮氧化物还可以稍微遮挡阳光，但最多 1%。那之后，它们会变成酸雨，但很轻微，地球植物可能从中受益。

如果你要将非人生物也遮蔽起来，欧洲多地早已为防备核战争建立了有掩蔽的植物种子库等设施，这其实更没什么必要。

• 许多植物和地衣擅长承受紫外线。
• 自然界的许多微生物、真菌、昆虫根本不在乎上述机制所能制造的极限辐射量。
• 许多海洋生物会被海水遮蔽而无伤。

紫外线可以被人为散布的臭氧以外的物质（例如二氧化硫）反射。在这个情景里进行地球工程的阻力大抵比现在要小得多。这会同时缓解全球变暖。

一些人谈论的“超新星沿自转轴产生伽马射线暴”是未被证实的假说。WR 104 在 2008 年热门了一阵，2015 年以来就比较冷了。

• 那假说需要恒星达到很高的自转速度来产生定向喷流，而 WR 104 的自转速度无法期待^[2]。
• WR 104 的自转轴并没对着太阳系，估计值有约 12 度、约 30~40 度。如果它有足够的自转速度，伽马射线流的角度约 2~20 度，越宽威力越弱。
• 如果 WR 104 成功将伽马射线照射在地球上，臭氧层会被暂时打掉四分之一，到达地表的太阳紫外线会暂时增加约 50%。
• 平均而言，海拔高度每上升 1000 米，紫外线强度会增加百分之十二。如果你居住在海拔约 0 米的地方，带着氧气瓶等设备去青藏高原旅游，你就可以体验到 WR 104 能在海拔约 0 米处引起的紫外线照射量了。
• 在水下 50 厘米处接收到的紫外线强度是水面接收到的百分之四十。

显然，你无法靠这种数据说服什么国家投资去准备抵御 WR 104 的爆发。

参考

1. ^ 我们周围的哪颗恒星现在超新星爆发可以对地球生物产生毁灭性的影响？ - 卜仆的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/424010317/answer/1518098953
2. ^ https://link.springer.com/article/10.1007/s10509-007-9583-8

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