一顆足夠大的恒星，它不會(huì)像我們的太陽一樣發(fā)出一聲悲鳴，在數(shù)十億年的時(shí)間里平穩(wěn)燃燒，然后收縮成一個(gè)白矮星。相反，核心將會(huì)坍塌，導(dǎo)致一種失控的聚變反應(yīng)，在超新星爆發(fā)時(shí)將恒星的外部分吹散，而內(nèi)部坍縮成中子星或黑洞，至少傳統(tǒng)觀點(diǎn)是這樣認(rèn)為的。
這是十七世紀(jì)仙后座星座中超新星的一個(gè)動(dòng)態(tài)片段。周圍物質(zhì)加上持續(xù)輻射電磁輻射都為殘余物持續(xù)發(fā)光提供了作用。 圖片：NASA, ESA, and the Hubble Heritage STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration
博科園-科學(xué)科普：但如果恒星足夠大，超新星根本不可能出現(xiàn)，而是直接坍縮，即整個(gè)恒星消失，形成一個(gè)黑洞。還有一種被稱為超超新星，比超新星更有活力更亮，并且核心不會(huì)留下任何殘余物。那些（超大質(zhì)量）最大的恒星們將如何走向生命的盡頭？
超新星殘骸W49B中的星云，在x射線、無線電和紅外波段仍然可見。這顆恒星質(zhì)量至少是太陽的8-10倍，并且能創(chuàng)造出創(chuàng)造地球的必要重元素。圖片：X-ray: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA
每一顆恒星誕生時(shí)，都會(huì)將氫轉(zhuǎn)化為其核內(nèi)的氦。像太陽一樣大的恒星，比木星大幾倍的紅矮星，比太陽質(zhì)量大幾十倍或幾百倍的超大質(zhì)量恒星都經(jīng)歷了這一階段的核反應(yīng)。恒星質(zhì)量越大，其核心溫度越高，核燃料燃燒的速度越快。
當(dāng)恒星的核心耗盡了氫來融合時(shí)，它會(huì)快速收縮和升溫，如果變得足夠熱和致密，就開始融合更重的元素。一旦氫燃燒殆盡，它就會(huì)變得足夠熱，將氦熔化成碳，與太陽相似的恒星也是如此走向滅亡。大約是太陽質(zhì)量8倍(或更多)的恒星才能進(jìn)入下一個(gè)階段：碳融合（碳聚變）。
這顆超大質(zhì)量恒星Wolf-Rayet 124和周圍的星云顯示出它可能成為銀河系中變成超新星的恒星之一。它的質(zhì)量超乎你的想象，而且可能已經(jīng)進(jìn)入了它生命的碳燃燒階段。圖片：Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidy
如果恒星足夠大，那么注定會(huì)有真正的宇宙煙火出現(xiàn)。不同于類似太陽的恒星在行星狀星云中外殼被吹散并收縮成一個(gè)（富含碳和氧的）白矮星，或者從未達(dá)到氦燃燒的紅矮星，并簡(jiǎn)單地收縮成一個(gè)（氦基）白矮星，最龐大的恒星注定要發(fā)生災(zāi)難性事件。
最常見的，尤其是最低質(zhì)量超過太陽質(zhì)量20倍的恒星，核心溫度持續(xù)上升而后與更重的元素融合：從碳到氧、然后鎂、硅、硫相繼燃燒，最終形成鐵、鈷和鎳的核心。因?yàn)槿诤线@些元素會(huì)消耗更多的能量，所以核心內(nèi)爆地方也就是核坍塌的超新星形成之地。
這是一顆非常巨大恒星在其整個(gè)生命周期中的剖析圖，最終形成II型超新星。圖片：Nicole Rager Fuller for the NSF
對(duì)于宇宙中的大多數(shù)巨型恒星來說，這是一個(gè)光輝壯觀的結(jié)局。在宇宙所有恒星中，只有不到1%的恒星質(zhì)量足夠大，并最終能實(shí)現(xiàn)這一命運(yùn)。當(dāng)進(jìn)入越來越密集的區(qū)域時(shí)，龐大的恒星變得越來越罕見。宇宙中大約80%的恒星是紅矮星，只有太陽質(zhì)量的為40%或更少。
太陽本身的質(zhì)量比宇宙中95%的恒星都要大。夜晚的天空布滿了異常明亮的星星：人眼最容易看到的。然而在超新星的下限是太陽質(zhì)量的幾十倍甚至數(shù)百倍。它們很罕見，但在宇宙中，它們非常重要，原因是超新星并不是這些巨型恒星存在或死亡的唯一方式。
氣泡星云位于數(shù)千年前發(fā)生的超新星遺跡外圍，如果遙遠(yuǎn)的超新星處于比它們現(xiàn)代同類更陰暗的環(huán)境中，這就需要修正我們目前對(duì)暗能量的理解。圖片：T.A. Rector/University of Alaska Anchorage, H. Schweiker/WIYN and NOAO/AURA/NSF
首先，許多大質(zhì)量恒星都有流出和噴出物。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)它們接近生命的終點(diǎn)或某一特定的融合階段結(jié)束時(shí)，一些物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致核心短暫的收縮，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高。當(dāng)核心變得更熱時(shí)，所有類型的核聚變速率都會(huì)增加，從而導(dǎo)致恒星核心產(chǎn)生的能量迅速增加。
這種能量的增加可以釋放出大量物質(zhì)，從而創(chuàng)造出一種被稱為超新星爆炸的事件：比任何正常的恒星都要亮，導(dǎo)致太陽質(zhì)量數(shù)十倍的物質(zhì)損失。在19世紀(jì)的時(shí)候，船底座海山二（下圖）變成了一顆超新星，但在它所創(chuàng)造的星云內(nèi)仍然在燃燒等待著最終命運(yùn)。
19世紀(jì)“超新星爆炸”引發(fā)了一場(chǎng)巨大的噴發(fā)，從船底座海山二（Eeta CARNEAE）向星際介質(zhì)噴出許多倍太陽物質(zhì)。圖片：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA
那么，一顆比太陽質(zhì)量還要大20倍的恒星，最終命運(yùn)是什么樣呢？有三種可能，但不能完全確定驅(qū)動(dòng)每一條可能性的條件。一個(gè)是已經(jīng)討論過的超新星。如果整個(gè)恒星結(jié)構(gòu)突然進(jìn)入合適的質(zhì)量范圍，任何失去足夠“物質(zhì)”的超級(jí)大質(zhì)量恒星都很容易變成超新星。但是還有另外兩個(gè)質(zhì)量范圍，雖然我們不確定確切的數(shù)字是多少，但這必然會(huì)有另外兩種結(jié)果出現(xiàn)，因?yàn)檫@兩種結(jié)果已經(jīng)被觀察到。
哈勃拍攝的可見光/近紅外照片顯示了一顆巨大恒星，其質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的25倍，但已經(jīng)消失，而且沒有出現(xiàn)超新星。直接坍塌成黑洞是唯一合理的解釋。圖片：NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)
直接坍塌形成黑洞：
當(dāng)一顆恒星變成超新星時(shí)核心內(nèi)爆，并可能形成中子星或黑洞，這取決于質(zhì)量。但是就在去年，天文學(xué)家第一次觀測(cè)到一顆是太陽質(zhì)量25倍的恒星消失，恒星不會(huì)沒有跡象就突然消失，但是對(duì)于可能發(fā)生的事情有自然規(guī)律解釋的：恒星核心停止產(chǎn)生足夠的外部輻射壓力來平衡引力，如果中心區(qū)域的密度足夠大，換句話說，如果足夠的質(zhì)量被壓縮到足夠小體積內(nèi)，就會(huì)形成一個(gè)視界——黑洞，然后黑洞可以將其他東西拉進(jìn)去。
這一區(qū)域的眾多星團(tuán)中，有一顆巨大的、短命的、明亮的藍(lán)色恒星尤為突出，在大約1000萬年的時(shí)間里，大多數(shù)大規(guī)模的恒星將會(huì)在II型超新星爆炸中爆炸…或者直接坍塌成黑洞。圖片：ESO / VST survey
直接坍縮被認(rèn)為一般發(fā)生在質(zhì)量超過了200-250倍太陽質(zhì)量的恒星上。但最近這種低質(zhì)量恒星的坍塌引發(fā)了許多問題。也許我們并不了解恒星內(nèi)核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也不了解恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也許還有多種方法可以讓恒星完全內(nèi)爆，在不產(chǎn)生任何明顯物質(zhì)的情況下消失。如果是這樣的話，通過直接坍縮形成黑洞可能比我們想象的要普遍得多，這可能是宇宙從非常早期開始形成其超大質(zhì)量黑洞的一種非常巧妙方式。但另一種結(jié)果卻完全相反：進(jìn)行了一場(chǎng)比超新星所能提供的更壯觀“燈光秀”。
如果有一顆恰好合適條件的恒星，那么整個(gè)個(gè)體就會(huì)被炸開，不會(huì)留下任何殘余物！圖片：NASA / Skyworks Digital
超超新星爆炸：
超超新星也被稱為超亮超新星，這一事件遠(yuǎn)比其他超新星亮得多，并且會(huì)顯示出非常不同的光曲線（增亮和衰減模式）。主要解釋被稱為“雙失穩(wěn)機(jī)制”。當(dāng)把一個(gè)大質(zhì)量物體（幾十萬到幾百萬倍的地球質(zhì)量）坍縮成一個(gè)小體積時(shí)，它會(huì)釋放出大量的能量。理論上，如果足夠大的恒星，比如是太陽質(zhì)量的100倍，那么它所釋放出來的能量就會(huì)非常大，以至于單個(gè)光子會(huì)分裂成成對(duì)的電子和正電子。知道電子，但是正電子是電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物，它們很特別。
這張圖說明了被稱為SN 200 6Gy超新星事件的發(fā)生過程。當(dāng)產(chǎn)生足夠高能量光子時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生電子/正電子對(duì)，造成壓力下降和失控反應(yīng)，從而破壞恒星。圖片：NASA/CXC/M. Weiss
當(dāng)正電子大量存在時(shí)，不可避免地會(huì)與其他電子發(fā)生碰撞。這種碰撞會(huì)導(dǎo)致兩者的湮滅，產(chǎn)生出兩種非常具體、高能量的伽馬射線光子。如果正電子(因此，伽馬射線)的產(chǎn)量足夠低，恒星的核心將保持穩(wěn)定。但是如果伽馬射線的產(chǎn)生速度足夠快，所有這些多余的511 keV光子將會(huì)讓核心不斷升溫。
換句話說，如果開始以一定的速度產(chǎn)生這些電子正電子對(duì)，但由于核心正在崩潰，所以生產(chǎn)它們的速度越來越快…核心持續(xù)升溫，但不能無限期地這樣，最終便導(dǎo)致了最壯觀的超新星爆炸：超超新星事件爆發(fā)，100+顆太陽質(zhì)量的恒星被炸開！
這意味著超大質(zhì)量恒星可能會(huì)造成四種結(jié)果：
1、一顆中子星和超新星遺跡，來自于低質(zhì)量的超新星
2、一個(gè)黑洞和超新星遺跡，來自于更高質(zhì)量的超新星
3、一個(gè)巨大的黑洞并且沒有殘骸，一顆巨大恒星直接坍塌
4、殘余物的氣體，來自超新星爆炸
圖示（左）大質(zhì)量恒星的最后階段，前超新星，硅正在燃燒。仙后座的錢德拉圖像（右）是一個(gè)超新星遺跡，今天顯示的元素如鐵（藍(lán)色）、硫（綠）和鎂（紅色），但這可能不是不可避免的。圖片：NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming
當(dāng)我們看到一顆非常大的恒星時(shí)，很容易認(rèn)為它會(huì)變成超新星，以黑洞或中子星的形式繼續(xù)存在。但在現(xiàn)實(shí)中，還有另外兩種結(jié)果可能會(huì)發(fā)生，并且經(jīng)常發(fā)生在宇宙尺度上。科學(xué)家們?nèi)栽谂α私膺@些事件發(fā)生的時(shí)間和條件，但它們都會(huì)發(fā)生。下次你再看一顆比太陽大很多倍的恒星時(shí)，不要把“超新星”看作是一個(gè)必然的結(jié)論。這些天體中還有很多生命，它們的死亡也有很多可能性。
博科園-科學(xué)科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
