【科學講堂】超新星內部似洋葱 多種元素層層包裹

●紅巨星內部結構。 資料圖片

●超新星爆發可能持續幾周至幾個月甚至幾年才會逐漸衰減，並留下由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構殘骸，稱作超新星殘骸。圖為超新星爆發景象（上圖）及爆發後殘骸（下圖）。 資料圖片

當星星走向生命盡頭的時候，它的內部究竟會發生怎樣的變化？一直以來，我們已有很詳細的理論描述星星的內部，但卻很少找到相關的直接證據。近期發現的一顆超新星，讓我們有機會一窺星體內部的結構。這次就跟各位分享一下。

氫氣是宇宙中最簡單和最常見的元素，而像太陽這樣發熱發光的星星，也主要是由氫氣組成的。隨着這些氫氣因為萬有引力的影響而聚集在一起形成星體，星星中央的高溫和高壓足以讓那裏的氫氣進行核聚變，所產生的能量就是星星能夠發熱發光的原因。這些能量也起了抗衡氫氣之間萬有引力的作用，不讓這些氫氣無止境地收縮下去。

這樣的核聚變會把星星中心的氫氣慢慢轉化為氦氣，因此，原來主要由氫氣組成的星星會逐漸積聚出一個氦氣核心。如果這顆星體的質量夠大，中心就會有足夠的溫度和壓力讓氦氣進一步聚合成碳元素或是更重的氧。

運用相同的推理，假如這顆星星夠大，其中心的高溫和高壓甚至可以把碳和氧聚合成矽、硫，甚至鐵元素。所以當質量大的星星在燃燒了一段時間以後，它的內部應該會出現一種類似洋葱的結構：最重的元素在中央，再被一層一層較輕的元素包裹着，直到最外層的氫氣。

這個說法聽起來合理，但是有直接的證據嗎？大家可能已經想到運用望遠鏡去觀察，但要直接觀測內部非常困難，超新星的出現正好為我們提供了一個難得的機會：當核聚變無法再在星星中心進行，就沒有能量去支撐星體中氣體的重量，星星就會崩塌並將內部物質爆發出來，形成超新星。這種爆炸的威力很強，因此一般來說，超新星的亮度都很高，很容易觀察。

爆發前釋高密度物質

2021年，天文學家利用夏威夷的凱克天文台（W. M. Keck Observatory），發現一個特別的超新星2021yfj。經分析後發現，這顆超新星在爆炸之前，原來已把充滿矽和硫的一層釋放出來；當超新星在其後爆發，爆發出來的物質就與這些矽和硫撞擊而發出亮光。相關計算指出，矽和硫在這個星體中的密度，是我們太陽的一百倍。

這顆超新星是一個令人驚訝的發現。首先它提供了一個實例，說明星星真的如理論所描述，可以有充滿矽和硫的一層。另外它也顯示星星在爆發之前，會先進入一個「洩氣」狀態，將一部分物質釋放出來，這應該也是爆炸產生的前提。不過，2021yfj在爆炸前釋放出來的物質，足足有三個太陽的質量之多，科學家們還在探究其中奧秘。

小結

超新星2021yfj的發現提醒我們，就算是相對熟悉的課題，也可以有新的發現。這次藉由在對的時間觀測對的星體，我們增進了對星體結構的認識。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。