《宇宙新论 之 天地本源》
（杨建立著）
第四章 新星之源
按照目前流行的理论，宇宙的形成于138亿年前。第一代宇宙天体是由氢、氦等气体物质坍缩、凝聚而成。
有关第一代恒星组成成分和形成原因，我们这里暂不讨论。相比之下，太阳系的形成比较晚，一般认为，太阳系形成于大约46亿年前，是第二代，甚至是第三代天体系统。
理论认为，形成太阳及其行星、卫星系统的物质基础，是上一代恒星在生命终结时发生大爆炸抛出来一部分气体外壳和尘埃。这些气体和尘埃逐步汇聚成为分子云，分子云在一定条件下凝聚为星体。也有人认为，气体尘埃首先聚集成星子，星子进一步碰撞、合并而成为星体。
按照这一理论，组成新星体的物质只有气体和尘埃，没有什么“重物质”，没有能够导致地表重力偏移的特殊物质，也就不能解疑前述的“重力之惑”。都是普通的气体和尘埃，没有什么“奇异物质”，就没有驱动地壳运动所需的巨大能量来源，解释不了形成“地面乱象”大陆漂移、板块运动的动力。只是普通物质之间的集聚与拼凑，就没有能够形成“地下迷局”的物质基础。
要想找到这些“奇异物质”，找到推动地壳运动的能量源泉，就应该从形成天体的物质源头去寻觅。
按照天文观测的结果，太阳及其他新生的恒星全部诞生于“分子云”。
分子云
分子云（molecular cloud）是星际云的一种，它的密度和大小允许分子--最常见的是氢分子(H2)--的形成。它的密度高到可以开始产生分子。通常分子云只发射出无线电波长的电磁辐射，而分子云的发现和研究也都是在这个波段进行。它是星际分子集结的区域。
观测表明，虽然有些星际分子，如 CO，几乎散布在所有的天区，但大多数星际分子集结成团，形成分子云。分子云通常是暗的，在光学波段看不见 ，温度典型值为20K，平均密度10^2～10^4个分子每立方厘米，中央的密度可达10^6个分子每立方厘米。分子云质量一般为 10^4～10^7太阳质量 ，云内有足够的尘埃屏蔽星光中的紫外线，使分子免遭破坏。在猎户星云后面有一个巨大的分子云，它是离太阳最近的分子云之一，有小而密的核心以及延伸的低密度云两部分组成。前者的直径为0.15秒差距，密度为 10^5个分子每立方厘米，质量为5个太阳质量；后者的直径至少为 10秒差距，极大密度为10^3个分子/厘米^3，质量达10^4太阳质量。被认为是正在形成的恒星的BN天体就在猎户分子云中间，BN 天体附近还有另一个红外源，可能也包括年轻恒星或者正在形成中的恒星。
分子云分为：巨分子云、小分子云、高银纬弥散分子云。
巨分子云是大量分子气体的集合体，质量介于10^4–10^6倍太阳质量。云气的直径可以达到数十个秒差距，密度则在每立方厘米10^2–10^3个粒子(在太阳附近是平均每立方厘米一个粒子)。在这些云气内的次结构有复杂的形式，包括丝状体、片状、气泡和不规则的团块等。
密度最高的丝状体和团块部分称为“分子云核”，而密度最高的分子云核，就称为“稠密分子云核”，密度可以高达每立方厘米10^4–10^6个粒子。观测时可以用一氧化碳搜寻分子云核，用氨搜寻稠密分子云核。集中在分子云核的尘埃会阻挡背景的星光，造成星际消光的效果形成暗星云。
我们“本地”的巨分子云通常在其所在天区的星座范围内占有明显的位置，因此经常会用星座命名，例如猎户座分子云(OMC)或是金牛座分子云(TMC)。这些分子云围绕着太阳成为一个环形的阵列，称为古尔德带。在银河系内质量最大的分子云是人马座B2，在距离银河中心120秒差距处形成一道环。人马座的区域含有丰富的化学元素，是天文学家在星际空间中寻找新分子的良好标本。
小分子云,是孤立的、引力束缚的，质量在数百个太阳质量以下的小分子云称为包克球。在这种小分子云中密度最高的区域与在巨分子云的分子云核等价，因此常出现在同样研究之中。
高银纬弥散分子云，是在1984年，红外线天文卫星IRAS证认了一种新型的弥散分子云。 这些弥散成丝状的云在高银纬的地区(离开银河盘面的空间)可观测到，云气中每立方厘米大约有30颗粒子。
那么，在分子云中的星际气体和尘埃为什么会集聚在一起，并发生凝聚和坍塌成为星体，而不是弥散开来呢？极有可能在分子云围绕的核心区域，有比较强大的引力源，或者说有大块固体物质存在，形成了强大的引力。也就是有本书称之为“原始星核”的存在。
原始星核
据目前所知，宇宙中新诞生的恒星完全都是在分子云中被制造出来的，这是它们在适当的低温和高压下的自然结果，因为导致塌缩的引力可以超出抗拒塌缩的内部压强。观测证据也表明，巨大的、正在形成恒星的云在很大程度上是被它们自身的引力束缚的(如同恒星、行星和星系)，而不是像地球大气层中的云彩那样由外部压力束缚。这证据源于从一氧化碳谱线宽度推测出的湍流速度与轨道速率成比例。
分子云的物理性质很难理解，并且仍存有争议，它们的内部运动由寒冷和磁化气体的湍流所控制。大质量分子云湍流的运动远超过音速。这种状态被认为会迅速失去能量，如果没有大质量的固体引力源，也就是“原始星核”的存在，分子云很快就会被瓦解。
在我们自己的银河系中，分子气体在星际介质中占不到百分之一的体积，但它依然是在太阳环绕银河中心公转轨道以内最密集，并且占有大约一半质量的气体。这些分子气体大多在距离银河中心3.5至7.5千秒差距的环形区域中(太阳距离中心大约是8.5千秒差距)。对本星系的大尺度一氧化碳成图表明，这种气体出现的位置和本星系的旋臂相关。这些分子气体主要出现在旋臂上，表明分子云形成和消散的时间应该少于一千万年，因为这是物质穿越旋臂所要花费的时间。
在垂直方向上，分子气体位于厚度大约在50–75 秒差距的狭窄的银河盘面中层，比同属于ISM的温暖的原子云(Z=130-400pc)和热的电离气体(Z=1000pc)薄许多。在电离气体的空间分布中，电离氢区的分布是一个例外。电离氢区是在分子云中被年轻的大质量恒星强烈辐射激发所形成的热离子气泡，在垂直方向上分布的厚度与分子气体相近。分子气体的在大尺度上的分布是平滑的，但小尺度上的分布极不规则，大多集中于孤立的分子云和分子云复合体之中。这“集中”现象又是“原始星核”存在又一佐证，如果没有较大的固体物质形成引力场，分子云中在局部汇聚很难理解。
分子云的形成，一个关键是为分子云的前身--原子云，以及原子云到分子云的过渡状态的云降温，而这种降温是通过膨胀所无法达到的，膨胀只能是使原子云气体弥散。不过原子云里有着能够增加凝聚的凝结核--尘埃，尘埃是分子云形成的一个关键角色。尘埃可以降低氢原子的热运动速度，有利于氢分子的形成。但是仅仅有氢分子的话，形成了氢分子的过渡状态的云还是无法冷却，因为在通常星际介质的温度下，氢分子没有辐射，对冷却没有贡献。在这种情况下，最重要的就是CO分子的冷却，CO的转动跃迁谱线是分子云中主要的冷却机制。而氢分子的热运动正是激发CO分子转动的能量源，通过氢分子不断和CO分子碰撞，CO分子不断发出转动跃迁谱线，分子云最终得以冷却。
形成分子云的另一个关键是密度的增加。引力塌缩可以使分子云的密度增加，这对于解释从分子云到恒星的演化是令人信服的，但是用这个机制解释高密度分子云的形成是有困难的。高密度分子云的形成有可能是一些压缩过程造成的，例如超新星的激波冲击等。不过这些解释也是有一定困难的，因为激波后气体的密度和激波速度成正比，热运动速度也大约和激波速度成正比（也就是温度和激波速度平方成正比）。大致来说就是，对于一定半径内的气体，其抵抗引力的能力增长的速度比引力增长的速度快。所以在这些压缩过程中应该有别的因素在起作用，这又是一个“原始星核”存在的有力支持。
分子云中存在湍流是一个较为确定的事实，但是对于湍流起到的作用认识不一。有研究指出湍流在某些情况下导致了分子云核的形成，从而导致了恒星形成，因此湍流的能谱和恒星的初始质量函数有一定关系。不过我们对于分子云中的湍流如何产生以及如何耗散知之不多，但很可能湍流的驱动靠的“原始星核”的引力驱动。
另外，云云碰撞，在行星形成过程中，也许做出了一定贡献，起到促发和催化作用。
那么“原始星核”是从哪里来的呢？其一种可能是，来自于上一代恒星能量耗尽后的“超新星”爆发后的残留。
超新星爆发
巨大质量恒星的内部温度远高于表面，理论上认为，最大的超巨星核心温度超过10亿兆。对于一颗稳定的恒星，核心温度的理论上限为60亿K。超过这个温度，恒星内部物质发射出的光子能量将高达可以在互相碰撞时转化成正负电子对，这样的反应会让恒星失去稳定，最终在一场巨大的爆炸中毁灭。
现有理论认为，恒星内部主要依靠核聚变产生能量对抗恒星本身万有引力来维持稳定：能量释放形成的向外的扩张力与恒星万有引力制衡。恒星越大所需要的能量越多，消耗氢就越快。然后形成的氦继续聚变形成碳原子和氧原子，聚变程度取决于恒星的质量。随着恒星内核中质量堆积，引力越来越大，核聚变原料变少，当核聚变的能量和游离电子之间的“简并"提供的力无法抗拒万有引力时，恒星会突然坍缩，速度达到45000英里每秒以上，内核温度迅速提升。气体在万有引力作用下，接近光速砸向内核，此过程会有“反弹效应”，进入的部分气体反旋向上，从内核中吹出。而内核里电子和质子挤压产生中微子，中微子穿过稠密气体时部分被吸收，气体获得巨大能量，从而产生巨大爆炸，产生了X光，伽马射线，紫外线，气体再次吸收热量，温度升至几百万度。因而超新星爆发非常亮。
由于光以有限速度进行传播，许多距离地球遥远的超新星爆炸通常在之后才发现。下述的这颗最古老的超新星爆炸发生于107亿年前，比之前发现纪录的最早超新星还要早15亿年。该超新星爆炸属于“II类型”，它是一种质量是太阳50-100倍的恒星，当核燃料完全消耗不再爆炸。
大麦哲伦星云内发现两个超新星爆炸遗迹
这种超新星归类为Ⅱ类型超新星，是由于它在最后爆炸前喷射出大量的气体，这些气体加速了它的死亡进程，导致其爆炸之后仍长期释放出光亮。Ⅱ类型超新星释放的光线可持续多年，而普通的超新星仅在短短几周时间内可见。
在1987年，天文学家在名为大麦哲伦云矮星系附近发现超新星爆炸，被命名为SN 1987A，在其爆炸之后其中心没有留下任何“残骸”的痕迹，而按现代理论在大质量的超新星爆炸后应该出现中子星或黑洞。SN 1987A是一颗在最近300年里记录到的最接近我们的超新星，即使借助于“哈勃”太空望远镜也没有发现黑洞或超密实中子星。
2009年11月10日，位于智利的双子南座望远镜上的多天体光谱仪捕捉到了大麦哲伦星云的DEM L316号地区两个超新星爆发遗留下的气泡状星云。从观测照片上看，两团气泡状星云似乎将要漂浮并穿过大麦哲伦星云。这些星云虽然看起来几乎就像是一个天体，但是他们却是由不同类型的超新星爆炸所形成的两种截然不同的气体与尘埃复合物。科学家们认为，这一发现将有助于进一步发现和研究超新星爆炸的残留物。
大麦哲伦星云是银河系的近邻之一，位于剑鱼座方向，大约距离银河系16万光年。DEM L316号地区则位于大麦哲伦星云之中，其内部有两团泡沫状的天体。这种泡沫状天体延伸的距离大约有140光年。直到上世纪70年代，DEM L316号地区才被首次公认为是超新星爆炸残留物。许多人认为，DEM L316号地区可能是数万年前大麦哲伦星云中数颗超新星爆炸所形成的产物。
超新星（supernova，SN）爆炸很恐怖，其恐怖程度看它的绝对星等。星等越小，光度（电磁能量释放功率）越高，典型的超新星光度曲线如下，
图片引自英语维基百科Supernova - Wikipedia
人们把超新星爆炸分为几个类型：
根据光谱特征，常分为type I（无氢吸收线），type Ⅱ（有氢吸收线）两大类。由图知，Ia SN（有硅吸收线），峰值绝对星等超过-19等。Ib SN（无硅吸收线，有氦吸收线）和Ic SN（无氦、硅吸收线），峰值绝对星等达-18等。绝对星等差1，光度差2.512倍。太阳的绝对星等为4.86等，如果把Ia SN放在太阳的位置，那么它最亮时候是太阳的
倍，89亿个太阳。type Ⅱ SN光度普遍小一等，峰值绝对星等在-16到-17等之间，相当于十几亿个太阳！
理论上，可以没有这么多分类，根据爆发类型，仅分为核坍缩、热核爆炸两大类。
核坍缩（core collapse，CCSN），大质量恒星演化晚期的爆炸很复杂，人们一共提出四种类型，铁核坍缩，电子俘获，配对不稳定，光致解离。铁核坍缩，认为大质量恒星核合成至铁元素，形成洋葱结构。中心是铁核，再外依次是硅壳层、镁壳层、氧壳层、碳壳层、氦壳层、氢壳层、氢包层。于是，Ib SN无氢壳层、氢包层，Ic SN无氦壳层。硅壳层持续燃烧（这里指核聚变反应），导致铁核质量持续增大（硅聚变并不是合成铁，但需要硅才能合成铁，铁是中子链合成的），形成简并铁核。爆发则是铁核质量超过钱德拉塞卡极限，铁核坍缩，引力能释放，铁原子核解离成氦，氦俘获电子，开启中子化过程，释放大量的中微子，带走了约99%的引力能，核心形成半径约10km的前身中子星，这些过程的时间只有几秒，外层来不及反应。核心形成铁核，光度下降，外层热压力减小，引发外层坍缩。当坍缩的外层物质下降遇到前身中子星时，发生什么？人们普遍认为，产生反弹的超音速激波！激波向外冲击，带走了外层物质（直接爆发机制），解释了光度曲线急剧上升。然而，问题也许没这么简单，90年代，数值模拟发现激波最终停下来了，炸不开外层物质。但不管机理和过程怎样复杂，核坍缩型超新星爆发，中心部位形成中子星或者黑洞，外层物质被炸开，这一天文观测事实已经不容置疑被证实。
热核爆炸（thermonuclear runaway），C-O简并核白矮星的爆炸。爆炸的原因尚有有争议，一般划分为单简并模型和双简并模型。
单简并模型。白矮星+伴星物质。一般认为因白矮星吸积伴星物质，白矮星质量最后突破钱德拉塞卡极限（约1.44倍太阳质量），引力超过电子简并压，导致星体坍缩。坍缩过程，一半的引力能释放，一半的转化为热能，导致星体温度急速升高。当温度达到碳、氧聚变温度（约8亿开尔文），引发失控的热核反应。原因是正反馈：简并核的传热性非常好，局部热量可迅速传导整个星体。聚变反应敏感地依赖温度（幂率），温度升高，反应率幂率地增大，导致温度进一步升高。接着，极高的温度带来极高的热压力，简并解除。（其实，过程非常复杂）短时间内聚变释放的能量超过了引力束缚能，后果就是星体急速膨胀，最终形成行星状星云，爆炸中心没有明显的遗留物。
双简并模型。白矮星+白矮星。紧密相邻的双星演化，形成白矮星+氦星，白矮星+白矮星等诸多可能（依赖初始质量、吸积率、星风等）。爆发过程，白矮星合并，因此质量可以大大超过钱德拉塞卡极限。 在热核爆炸模型，超新星释放能量仅取决于前身星的质量。可想而知，双简并模型能量肯定高于单简并模型。事实上，人们观测到某些Ia SN光度不止-19等，竟然达到-21等，这可能是双简并模型的证据。
以上是一类爆发机制，简并核心，不论白矮星（可视为裸露的简并的恒星核心），还是铁核、氧镁核。另一类爆发机制，并不是简并核心。而是由于某些原因，核心的热压力下降，发生引力坍缩。
超新星内部的核聚变反应极为剧烈。它必须保持特别快的反应速度才能维持自身的体积。（越大的恒星生命越短）恒星中，核聚变到了26号元素铁，就会停止。内部核反应如果停止，无法提供能量，内部开始降温降压。也无法提供那么强大的能量维持自身。由于超新星的直径超过5光秒，外界的巨量物质就会急速向内部跌落，由于引力提供的加速度，物质的掉落速度达到亚光速，撞击后引发超大爆炸，一瞬间铁之后的元素都出来了。甚至出现元素周期表后面几百位的元素（这些元素会很快衰变），然后两极地区释放伽马射线暴。
大多数的恒星内核通过氢核聚变进行燃烧，将质量转变为能量，并产生光和热量，当恒星内部氢燃料完成消耗完后就开始进行氦融合反应，并形成更重的碳和氧，这一过程对于类似我们太阳这样的恒星而言，就显得较为短暂，并形成碳氧组成的白矮星，如果其质量大于1.44倍太阳质量，就会发生Ia型超新星爆发。
综上所述，根据天文观测的结果，“超新星”爆发虽然形式复杂，但总体可分为两大类，一类是“核坍缩”型爆发，爆炸抛射出部分气体、尘埃，其中心部分残骸凝聚成“中子星”或者进一步坍缩成为“黑洞”。第二类是“热核爆炸”,爆发后除了气体和尘埃遗迹之外，没有形成“中子星”，更没有形成“黑洞”，爆炸中心区域没有明显的残留物质。巡天天文望远镜对部分“热核爆炸”型超新星遗迹进行搜索后，结果已经得到证实。
那么，“热核爆炸”超新星爆发，除了表层的气体、尘埃，就没有其他“遗物”？如果有，究竟留下了什么样的“遗物”呢？
超新星“遗物”
2018年12月6日，科技日报报道，一个国际科学家团队发现，离地球数十亿光年的两个超新星的残余物中包含玻璃的主要成分二氧化硅。研究人员使用美国国家航空航天局的斯皮策太空望远镜来分析垂死恒星发出的光，获得了二氧化硅的“指纹”。
这是科学家们首次直接证明，超新星爆发产生二氧化硅。地球上大部分自然元素都与超新星爆发过程有关，而本次研究是在观测层面进行了证实。
恒星是宇宙中所有重元素的熔炉。科学界认为，宇宙大爆炸初期的主要成分是氢和氦，氢约占80%，氦约占20%。在恒星演化过程中，氢最先燃烧，氢燃烧完以后再点燃氦，氦燃烧的过程中会产生碳和氧。碳氧燃烧的过程就会产生硅、钙、镁等元素，这些元素也会燃烧，不过需要更高的温度。
这种先后燃烧的机制跟恒星的温度分布有关，恒星中央温度最高。就像洋葱一样，一层一层燃烧，它可以确保恒星内部结构的平衡。
在“洋葱”中，有两层与硅元素的产生有关。一层是硅自身的燃烧，一层是产生硅元素的燃烧过程。如果这两个燃烧过程在超新星爆发前还未结束，其中的硅元素就会在超新星爆发时被抛射到宇宙之中。
除了氢和氦，氧也很活跃，遇到硅之后，就形成了二氧化硅。而二氧化硅是制造玻璃和形成尘埃的主要成分。如果遇到合适的条件，尘埃就会冷却聚集，慢慢变大，最后变成第二代及以后的恒星或行星，比如地球。在宇宙中，这个过程非常普遍。二氧化硅约占地壳的60％。从某种程度上讲，地球上的二氧化硅是远古恒星的“遗物”。
一般较大质量恒星演化晚期，元素合成至铁后，内部将不再通过热核反应产生新能量，巨大的引力使整个星体迅速向中心坍缩。一种结局是将中心物质都压成中子状态，形成“中子星”，质量更大的核心甚至塌缩成为“黑洞”。
大质量恒星都是以爆发为Ⅱ型超新星结束它们的一生。一般而言，大质量恒星超新星爆炸会把大部分物质抛射进入太空，最终留下中子星或黑洞，具体情况视恒星的初始质量和物理状态而定。但是，大质量恒星在宇宙中很少。
宇宙中大多数恒星爆发为Ⅰa型超新星，属于“热核爆炸”型超新星爆发，它们的前身是双星中的小质量恒星，原因是小质量恒星在形成时就比大质量恒星比例高。在超新星爆炸时，小质量恒星（比如双星系统中的白矮星）跟大质量恒星抛出去的物质并不一样。
发生“热核爆炸”时，星体最外层会留有少许氢、氦等气体存在，爆炸会再次将这些气体抛射到宇宙空间；星体较外层为碳和氧，爆炸产生的高温会把一部分物质汽化，形成一氧化碳、二氧化碳、水蒸气等气体；也有一部分物质会被强大的爆炸力炸成粉尘，抛撒到宇宙空间，在宇宙深处，产生了二氧化硅的“指纹”。
再往内层，原子质量逐步增大，直至铁元素。这些物质在超新星爆发时，由于能量耗竭，不可能还原成气体，也不可能统统炸成粉尘，还会形成“碎块”，或者叫做“弹片”。这些“碎块”或者“弹片”，散落在宇宙空间，成为后世星体的“建筑材料”，这就是地球等岩质星体的物质来源。这些“建筑材料”，在星球形成时没有被利用的部分，成为流浪的石块、铁块、石铁块等等。
在星体形成后，一些“流浪”的碎块被星体吸引，落入比如地球这样的星体，就会形成流星。地球、月球在40亿年前遭受的“重轰炸”，以及持续到今天，仍然不断遭受的“流星”袭扰，就是由于它们的存在造成的，也就是我们常见的石陨石、铁陨石、石铁陨石。
大质量的“碎片”，成为后世星体诞生过程中的“原始星核”，或者叫做星体的“种子”。在分子云凝聚，引发分子云坍缩成为星球的过程中，起到至关重要的作用。
“热核爆炸”能够形成“弹片”，不是空穴来风，不是猜测，这种“弹片”已经被发现。
超新星爆发“弹片”被发现
2017年08月21日，新华社报道，澳大利亚国立大学在此不久前宣布，该校科学家参与的一项研究发现，一个在银河系流浪的小型星体很可能是数百万年前一个双星系统内的白矮星引发的大爆炸崩出来的一枚“弹片”。
示意图显示，在一个双星系统中，白矮星吞噬其巨星伴侣的物质
澳大利亚国立大学的科学家与捷克、德国、匈牙利、美国、加拿大等国同行合作，使用多个望远镜观察了一枚Ia型超新星的爆炸剩余部分--代号为LP 40-365的“弹片”，这枚“弹片”以极高的速度穿过了银河系。研究人员对其建立了数学模型，确定其特征，包括其密度、温度和化学构成。
在此研究基础上，研究人员认为，在一个双星系统内，一个高密度的白矮星攫取其巨星伴侣上的物质，随着白矮星攫取物质越来越多，导致情况失控，强烈的热核爆炸摧毁了双星系统。这枚相当于小型恒星大小的爆炸碎片被抛到宇宙中，并飞行了数百万年。
这种“弹片”是什么物质的组成，除了上述石块、铁块、石铁块之外，还有其他什么样的物质？除了铁、硅、镁、氧、碳、氦、氢这些元素之外，一定还存在我们不熟悉的物质形态，我们称之为“奇异物质”，有关他的成分、性质等问题我们留待“奇异物质”一章进行分析与阐释。