粵教版小學(xué)六年級科學(xué)下冊《探索宇宙》課件

8.探索宇宙超新星（恒星演化過程中的一個(gè)階段）

超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸度極其明亮，過程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可持續(xù)幾周至幾個(gè)月（一般最多是兩個(gè)月）才會(huì)逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。在這段期間內(nèi)一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相媲美。恒星通過爆炸會(huì)將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以可高至十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質(zhì)輻射激波。這種激波會(huì)導(dǎo)致形成一個(gè)膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，這被稱作超新星遺跡。

僵尸恒星”這個(gè)名字首先告訴我們，作為恒星，它已經(jīng)死亡了，死亡之后它還會(huì)有某種活動(dòng)。它的活動(dòng)或者表現(xiàn)為向外界噴發(fā)物質(zhì)，這通常是一種超新星爆發(fā)的表現(xiàn)。超新星爆發(fā)并不是原來想象的那么瘋狂，它們還有一種微型爆發(fā)，僵尸恒星通常是指一顆已經(jīng)發(fā)生過超新星爆發(fā)的恒星，再一次發(fā)生了超新星爆發(fā)。一顆恒星不斷地發(fā)出光芒，但這個(gè)時(shí)間是有限制的，總有一天，它會(huì)耗盡氫元素這種能源，發(fā)生超新星爆發(fā)，最后留下一個(gè)致密的核心，由于最初的質(zhì)量不同，這個(gè)核心的密度也就不同，或者變成中子星，或者變成白矮星，這就是恒星的尸體。但是，白矮星通常不會(huì)單獨(dú)存在著，它會(huì)有一顆伴星，這顆伴星就是紅巨星，是一種走到生命盡頭的大質(zhì)量恒星，它們在飛速地膨脹，擁有巨大的外殼，蔓延到空間很遠(yuǎn)的地方，這種稀疏的結(jié)構(gòu)就成為白矮星的食物，白矮星會(huì)從紅巨星身上吸收物質(zhì)。它完全有這樣的資本，此刻的它非常致密，因而有很大的引力，另外，那些圍繞著它們的氣體也已經(jīng)消失了，它開始從紅巨星的身上吸收物質(zhì)，巨星的外殼被它吸引，首先來到它的周邊，白矮星會(huì)在自己周圍建立起“大圓盤”，就像是蚊香那樣的“大圓盤”，一圈又一圈，最接近白矮星的物資被它吸收，這個(gè)“大圓盤”就像吸管。當(dāng)白矮星吸收的較多，自己也承受不了以后，它便開始發(fā)生了超新星爆發(fā)，這就是微型的超新星爆發(fā)。微型超新星爆發(fā)是天文學(xué)家確認(rèn)的一種新型超新星，它在爆發(fā)的時(shí)候，也會(huì)拋棄一些物質(zhì)，它拋棄的物質(zhì)一般很小，可以達(dá)到太陽質(zhì)量的萬分之一或者一半?？梢源_認(rèn)，微型超新星爆發(fā)就是白矮星吸收了同伴物質(zhì)的結(jié)果，它的再次爆發(fā)就像是僵尸復(fù)活那樣，再次顯示了自己的行動(dòng)。生活在紅巨星旁邊的白矮星從同伴身上索取物質(zhì)，這會(huì)成為一種常態(tài)，白矮星爆發(fā)之后，還可能再一次從身邊的巨星身上吸收物質(zhì)，當(dāng)然，達(dá)到一定的時(shí)候，還會(huì)再一次爆發(fā)。僵尸恒星說它"黑"，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，"似乎"就再不能逃出。由于黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。"黑洞"這個(gè)名字，總是令人遐想聯(lián)翩。那么，究竟什么是"黑洞"呢?這個(gè)名字的第一個(gè)字"黑"，表明它不會(huì)向外界發(fā)射或反射任何光線，也不會(huì)發(fā)射或反射其他形式的電磁波--無論是波長最長的無線電波還是波長最短的γ射線。因此人們無法看見它，它絕對是"黑"的。第二個(gè)字"洞"，說的是任何東西只要一進(jìn)入它的邊界，就休想再溜出去了，它活像一個(gè)真正的"無底洞"。也許有人會(huì)想:假如我用一只超級巨大的探照燈對準(zhǔn)黑洞照過去，像照妖鏡照住"妖怪"那樣，黑洞不就"現(xiàn)原形"了嗎?錯(cuò)了!射向黑洞的光無論有多強(qiáng)，都會(huì)被黑洞全部"吞噬"，不會(huì)有一點(diǎn)反射。這個(gè)"無底洞"，照樣還是那么"黑"。把這種奇特的天體稱為"黑洞"，真是太妙了。黑洞并不是科學(xué)家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓建立的力學(xué)理論推測:"一個(gè)直徑像地球、密度為太陽250倍的發(fā)光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里。這話是什么意思呢?我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進(jìn)入行星際空間，速度至少要達(dá)到11.2千米/秒，否則它就永遠(yuǎn)逃不出地球引力的控制。這11.2千米/秒的速度，就是任何物體從地球引力場中"逃逸"出去所需的最低速度，稱為地球的"逃逸速度"。太陽的引力比地球引力強(qiáng)大得多，因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多，為618千米/秒。再進(jìn)一步，要是一個(gè)天體的逃逸速度達(dá)到了光速，那么就連光線也不可能從它那里逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞，拉普拉斯所說的那個(gè)恒星便是生動(dòng)的一例。光是宇宙間跑得最快的東西，既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西也就休想逃出去了隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對黑洞的認(rèn)識也越來越深入。如今，關(guān)于黑洞的更準(zhǔn)確的說法是:"黑洞是廣義相對論預(yù)言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個(gè)封閉的邊界，稱為黑洞的'視界';外界的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界，視界內(nèi)的東西卻不能逃逸到外面去。"正因?yàn)楹诙慈绱?只進(jìn)不出、貪得無厭"，所以才有了一個(gè)不雅的外號:"太空中最自私的怪物"。不過，事情也不是那么簡單。出乎人們意料，黑洞這個(gè)"怪物"，有時(shí)候竟然還十分"慷慨"。這又是怎么一回事呢?原來，在20世紀(jì)70年代，英國科學(xué)家霍金等人以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，對黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像"蒸發(fā)"那樣穩(wěn)定地往外發(fā)射粒子?？紤]到這種"蒸發(fā)"，黑洞就不再是絕對"黑"的了?；艚疬€證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且質(zhì)量越小的黑洞溫度就越高，質(zhì)量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發(fā)也很微弱;小黑洞的溫度很高，蒸發(fā)也很猛烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽那么大的黑洞，大約需要1.0×10^66(即"1"后面跟著66個(gè)"0")年才能蒸發(fā)殆盡;但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙?，竟然?huì)在1.0×10^-22(小數(shù)點(diǎn)后面21個(gè)"0"再跟上一個(gè)"1")秒鐘內(nèi)就蒸發(fā)得干干凈凈!黑洞暗能量星暗能量星我們已經(jīng)了解了太陽系是以太陽這顆恒星為中心的，由行星、衛(wèi)星、矮行星、小天體（包含小行星、彗星）等組成的一個(gè)天體系統(tǒng)。我們觀察到的天空中的星星大多數(shù)也是和太陽一樣發(fā)光發(fā)熱的恒星，它們有的也會(huì)組成類似太陽系一樣的天體系統(tǒng)。在觀星過程中，我們看到的天空中閃亮的銀河光帶，實(shí)際是由許許多多的恒星組成的一個(gè)恒星集團(tuán)，被人們稱為銀河系。銀河系大約由1000億~2000億顆恒星組成，直徑有10萬光年。光的傳播速度是每秒鐘30萬千米，光年就是光在一年中所走的距離，它是用來計(jì)量恒星間距離的單位。現(xiàn)在人們用天文望遠(yuǎn)鏡已觀測到距我們120億光年的宇宙空間深處，但仍沒有看到宇宙的邊緣，而且科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)宇宙正處在膨脹之中！充滿活力的宇宙

宇宙中每時(shí)每刻都有許多恒星誕生，同時(shí)也有許多恒星消亡。恒星都在不停地高速運(yùn)動(dòng)。有些恒星自身還有節(jié)奏地膨脹和收縮，有些恒星還不斷地向外拋射物質(zhì)……我們的宇宙是一個(gè)充滿活力的宇宙。根據(jù)認(rèn)識，超新星爆發(fā)事件就是一顆大質(zhì)量恒星的“暴死”。對于大質(zhì)量的恒星，如質(zhì)量大于8倍太陽質(zhì)量的恒星，由于質(zhì)量巨大，在它們演化到后期時(shí)，當(dāng)核心區(qū)硅聚變產(chǎn)物-鐵-56積攢到一定程度時(shí)，往往會(huì)發(fā)生大規(guī)模的爆發(fā)。這種爆炸就是超新星爆發(fā)?，F(xiàn)已證明，1572年和1604年的新星都屬于超新星。在銀河系和許多河外星系中都已經(jīng)觀測到了超新星，總數(shù)達(dá)到數(shù)百顆?？墒窃跉v史上，人們用肉眼直接觀測到并記錄下來的超新星，卻只有6顆。超新星的英文名稱為supernova，nova在拉丁語中是“新”的意思，這表示它在天球上看上去是一顆新出現(xiàn)的亮星（其實(shí)原本即已存在，因亮度增加而被認(rèn)為是新出現(xiàn)的）；前綴super-是為了將超新星和一般的新星相區(qū)分，也表示了超新星具有更高的亮度，以及更稀少的分布和不同的形成機(jī)制。根據(jù)韋氏詞典，supernova一詞最早在1926年見于出版物中。已知存在的超新星有幾種不同類型，但其形成機(jī)制都來自兩種情形之一：通過核聚變產(chǎn)生能量的過程終止或突然啟動(dòng)。當(dāng)一個(gè)衰老的大質(zhì)量恒星核無法再通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生能量時(shí)，它有可能會(huì)通過引力坍縮的過程坍縮為一個(gè)中子星或黑洞。引力坍縮所釋放的引力勢能會(huì)加熱并驅(qū)散恒星的外層物質(zhì)。另一種形成機(jī)制為一顆白矮星可能會(huì)從其伴星那里獲取并積累物質(zhì)（通常是通過吸積，少數(shù)通過合并）從而提升內(nèi)核的溫度，以至能夠?qū)⑻荚攸c(diǎn)燃并由此導(dǎo)致熱失控下的核聚變，最終將恒星完全摧毀。當(dāng)質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限（約為1.44倍太陽質(zhì)量）的恒星內(nèi)部的核聚變爐無法提供足夠的能量時(shí)，恒星將走向坍縮；而當(dāng)吸積過程中的白矮星質(zhì)量達(dá)到這一極限時(shí)它們將會(huì)質(zhì)量過高而燒毀。需要注意的是，白矮星還會(huì)通過碳氮氧循環(huán)在其表面形成一種與上述有所不同的并且規(guī)模小很多的熱核爆炸，這被稱作新星。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽質(zhì)量左右的恒星在經(jīng)歷引力坍縮的過程后是無法形成超新星的。根據(jù)估算，在如銀河系大小的星系中超新星爆發(fā)[2]的概率約為50年一次，它們在為星際物質(zhì)提供豐富的重元素中起到了重要作用。同時(shí)，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的激波也會(huì)壓縮附近的星際云，這是新的恒星誕生的重要啟動(dòng)機(jī)制。發(fā)現(xiàn)過程由于在一個(gè)星系中超新星是很少見的事件，銀河系大約每隔50年發(fā)生一次，為了得到良好的研究超新星的樣本需要定期檢測許多星系。在其他星系的超新星無法準(zhǔn)確地預(yù)測。通常情況下，當(dāng)它們被發(fā)現(xiàn)時(shí)，過程已經(jīng)開始。對超新星最有科學(xué)意義的研究（如作為標(biāo)準(zhǔn)燭光來測量距離）需要觀察其峰值亮度。因此，在它們達(dá)到超新星

超新星的搜尋分為兩大類：一些側(cè)重于相對較近發(fā)生的事件，另一些則尋找更早期的爆炸。由于宇宙的膨脹，一個(gè)已知發(fā)射光譜的遠(yuǎn)程對象的距離可以通過測量其多普勒頻移（或紅移）來估計(jì)。平均而言，較遠(yuǎn)的物體比較近的物體以更大速度減弱，因此具有更高的紅移。因此，搜尋分為高紅移和低紅移，其邊界約為z=0.1–0.3之間——其中z是頻譜頻移的無量綱量度。高紅移的搜尋通常涉及到對超新星光度曲線的觀測，這對于生成哈勃圖以及進(jìn)行宇宙學(xué)預(yù)測所用的標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)燭光很有用。在低紅移端超新星的光譜比其在高紅移端更有實(shí)用價(jià)值，并可用于研究超新星周圍的物理與環(huán)境。低紅移也可用于測定近距端的哈勃曲線，這是用來描述可見的星系距離與紅移之間的關(guān)系曲線，參見哈勃定律。2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布：美國教授佩爾馬特、美澳雙國籍教授布萊恩·施密特和美國教授黎斯3人獲獎(jiǎng)，他們通過研究超新星發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹、變冷，稱整個(gè)宇宙最終可能變成冰。醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)首次頒給已故學(xué)者?；瘜W(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng)、文學(xué)獎(jiǎng)、經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)將陸續(xù)公布。2011年的諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)金仍為1000萬瑞典克朗(約合146萬美元)。2011年11月，美國美國國家航空暨太空總署（NASA）利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行新的紅外線觀測，已經(jīng)證實(shí)中國東漢時(shí)期記載的天有異象，客星侵主，是第一次有記載的超新星爆炸。2016年3月，由美國圣母大學(xué)天文學(xué)家彼得·加爾納維切領(lǐng)導(dǎo)的科研小組用了3年時(shí)間分析開普勒所觀測的50萬億顆恒星的光譜，結(jié)果找到兩顆超新星，其中一顆名為KSN2011a，大小相當(dāng)于近300個(gè)太陽，距地球約7億光年；另一顆名為KSN2011d，大小相當(dāng)于約500個(gè)太陽，距地球約12億光年。研究人員在較大的超新星上首次觀測到激波暴，但在較小的超新星上卻沒有觀測到。他們猜測這可能是因?yàn)樾〉某滦侵車h(huán)繞氣體，遮擋了所產(chǎn)生的激波暴。

加爾納維切在一份聲明中說：“激波暴的閃光可持續(xù)約1小時(shí)，因此要捕捉到一次這種閃光，要么是運(yùn)氣特別好，要么得持續(xù)不斷地觀測數(shù)以百萬計(jì)的恒星。”美國航天局的聲明則將這一發(fā)現(xiàn)稱為天文觀測上的一個(gè)“里程碑”。[3]中國發(fā)現(xiàn)2010年，星明天文臺業(yè)余天文學(xué)家孫國佑與高興在NGC5430星系發(fā)現(xiàn)了一顆新爆發(fā)的超新星，后經(jīng)著名的帕洛瑪山天文臺確認(rèn)為Ic型超新星，編號PTFacbu，這也是大陸天文愛好者發(fā)現(xiàn)的首顆超新星。2011年2月19日，星明天文臺業(yè)余天文學(xué)家金彰偉與高興發(fā)現(xiàn)超新星，2011aj。2011年4月26日，星明天文臺業(yè)余天文學(xué)家金彰偉與高興發(fā)現(xiàn)超亮超新星，2011by，其極大值達(dá)到12.5星等，是2011年最亮的超新星，比較罕見。2015年9月12日10時(shí)，合肥市五年級學(xué)生廖家銘通過新疆南山縣星明天文臺的望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)一顆疑似超新星，如果經(jīng)光譜證實(shí)其確系超新星，10歲的廖家銘，將成為全球發(fā)現(xiàn)超新星年紀(jì)最小的人之一。[4]2016年1月，一支由中國科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)或發(fā)現(xiàn)了有史以來最強(qiáng)大的超新星爆發(fā)。1月14日，該團(tuán)隊(duì)在美國俄亥俄州立大學(xué)發(fā)布聲明說，最新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)超新星亮度是太陽的5700億倍，比銀河系中所有恒星加起來還要亮20倍。恒星的演化恒星永不永恒恒星的一生自古以來，人類就充滿了對宇宙的幻想，向往著飛向太空。人類對宇宙的探索人類對宇宙認(rèn)識的每一次進(jìn)步都離不開科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。自從1609年意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡以來，人們不斷地改進(jìn)，發(fā)明了許多功能各異的望遠(yuǎn)鏡，從而獲得了越來越多的來自宇宙的信息。太空技術(shù)的發(fā)展，人造地球衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡、太空探測器、載人宇宙飛船等相繼出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了人類飛天的夢想?，F(xiàn)在宇航員還可在太空站上過太空生活呢！我國是世界上公認(rèn)的火箭的發(fā)源地。早在距今1700多年前的三國時(shí)代的古籍上就出現(xiàn)了“火箭”的名稱。目前，我國的航天技術(shù)在世界上占有相當(dāng)重要的位置。長征系列運(yùn)載火箭的順利反射，載人飛船“神舟”五號和“神舟”六號圓了中國人的飛天夢想?！版隙稹币惶柼皆滦l(wèi)星又發(fā)射成功，不久的將來，我國宇航員還將登月考察。長征三號運(yùn)載火箭長征二號運(yùn)載火箭神舟五號“嫦娥”一號探月衛(wèi)星發(fā)射升空100多年來，無數(shù)科學(xué)家和工程專家為實(shí)現(xiàn)人類遨游太空