超新星爆发威力究竟有多大？

高等文明毁灭一颗星球只是科幻中的桥段，现实中一颗星球被摧毁往往有着更普遍的方式。

超新星爆发是宇宙中最高能的事件之一，它通常是大质量恒星在演化末期经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸极其明亮，通常整个星系都会被它的光芒照亮。而且整个过程会持续相当长的一段时间，一般可以几周、几个月甚至是几年。对地球上的人类来说，这就像天上突然出现了颗非常亮的星，因此人们称其为“超新星（Supernova）”。

要评估超新星的破坏力，首先要搞清楚它究竟是如何爆发的。其实超新星爆发可以分成两种情况：一种是白矮星这种简并态的恒星残骸，通过吸积伴星的物质或者合并其他白矮星，使自身质量达到1.44倍太阳质量（也就是钱德拉塞卡极限）时，核心温度会升高到足以开始碳聚变的程度。如此剧烈的能量释放却没有足够的物质向内压缩予以抗衡，于是失控的热核反应会把整个白矮星从内到外彻底摧毁，也就是直接炸开，这种超新星被称为“Ia型超新星”。

除了Ia型这种把自己吃撑了的超新星，另一种超新星被称为核心坍缩型超新星。除了Ia型以外，其他所有的（像是Ib/Ic以及各种II型超新星），它们都属于核心坍缩型超新星。这种超新星是一颗大质量恒星到了演化末期，内部的核燃料耗尽，无法再通过辐射压抵抗自身的引力塌陷，于是核心物质开始不断向中心挤压，直到把核外电子压入原子核，成为中子简并态。伴随坍缩过程的是巨大的引力势能被释放，产生的冲击波会把核心以外的物质全部抛射出去，形成超新星爆发，而最后剩下的中子简并态的核心就是中子星。倘若原本的恒星质量非常大，以至于剩下的中子星质量超过了奥本海默极限（1.5~3倍太阳质量），那么坍缩过程还会进一步继续，直至突破中子简并态成为黑洞。

这两种超新星哪个更厉害呢？

从光度方面来说，Ia型超新星因为炸得非常彻底，几乎是将整个星体的质量全部都转化成了能量释放出去，所以它的峰值光度非常高，通常是太阳光度的数十亿倍。而核心坍缩型超新星，虽然峰值光度也很高，能够达到太阳的数亿倍，但是相对前者还是逊色不少。

你可能会想：“光亮有啥用，又没什么破坏力。”确实，即使是X射线、伽马射线这种高能辐射，除了能对地球生物圈带来影响外，它对地球本身并不能造成太多伤害。所以我们需要考虑更直接的破坏方式，比如冲击波。

“宇宙几乎真空，怎么会有冲击波？”对于超新星来说，这里的冲击波主要来源于恒星抛射出的物质。那些被高速抛射出的粒子携带了巨大的动能，它们就像从枪膛中射出的子弹，直接撞击遇到的物体，这种撞击无疑是极具破坏性的。另外，这种冲击波在向外传播的过程中，还会与星际介质相互作用。这种相互作用可以加速星际介质中的粒子（费米加速机制），使它们获得极高的动能，这也是许多高能宇宙线的来源。

对于Ia型超新星，冲击波是它释放能量的主要方式。不过由于钱德拉塞卡极限的存在，Ia型超新星释放的能量相对固定。因为一旦白矮星质量达到了1.44倍太阳质量，它必然会发生爆炸，这也是它被作为标准烛光用来天文测距的原因。而对于核心坍缩型超新星，虽然它抛射的只是核心以外的物质，但是由于这种恒星都是些大质量恒星，所以它们抛射出来的物质会更多，通常可以达到几倍乃至十几倍太阳质量。

不过考虑到Ia型超新星发生在较小的空间范围内，爆炸来得更猛烈，所以它产生的冲击波也会更加剧烈。而核心坍缩型超新星，虽然抛射物质的速度相对慢一点，但架不住人家量大，所以整体的动能并不见得比前者小，甚至还要高得多。

除此之外，核心坍缩型超新星还有个“杀手锏”，就是“伽马射线暴（Gamma-ray burst, GRB）”。

在大质量恒星的核心坍缩成中子星或黑洞的过程中，中子星或黑洞会因为吸积物质而形成强大的相对论性喷流。这些高速喷流在突破恒星外层以及周围物质时，会产生强烈且准直的极高能伽马射线辐射，它便是被称为宇宙最亮事件之一的伽马射线暴，其瞬时光度可以达到太阳的万亿倍。但对于Ia型超新星来说，由于它已经被完全炸碎，不存在任何中心吸积，所以不会形成喷流，自然也不会产生伽马射线暴。

不过无论是冲击波还是伽马暴，它们都不是核心坍缩型超新星的主要能量释放方式，它的能量主要是通过中微子爆发释放的。中微子具有很强的穿透性，几乎不与物质发生作用（比如此时此刻就有数万亿个来自太阳的中微子从我们身体中穿过），所以这部分能量很难带来相应的破坏力。

总之，很难简单地说哪种超新星更厉害，威力更大。虽然核心坍缩型超新星整体上更占优势，但是它们依然各有各的特点，仍然需要具体情况具体分析。

多远的超新星会对人类带来威胁？地球附近存在这样的潜在超新星吗？

以典型的Ia型超新星为例，它释放的总能量大概在10^44焦耳这个量级。假设爆炸的能量向四面八方均匀释放，并且地球接收能量的面积按地球在冲击波球面的投影计算，那么可以得出，当超新星距离地球50光年时，地球表面每平方米大约可以收到3500万焦耳的能量。

听起来是不是很多？但事实上，地球每天收到的太阳辐射，每平方米就有几千万焦耳。而且超新星爆发释放的能量并非集中在一天，而是会分摊到很长一段时间，再考虑到50光年路途也会带来一部分能量损失，最终地球能收到的能量应该远小于太阳带来的辐射能量。因此，可以把50光年视作一个相对安全的界限，超过这个距离的超新星爆发，问题通常不大。

假如距离缩短到30光年，此时地球每平方米理论上可以收到1亿焦耳的能量，就算考虑到损耗等实际情况，最终的能量依旧不容忽视。虽然它不会对地壳造成什么实质性影响，但高能粒子势必会对大气层尤其是臭氧层带来破坏。一旦大气被破坏，地球的气候将被彻底改变，整个生物圈将遭受严重影响。而臭氧层缺失带来的后果更加危险，紫外线以及高能宇宙线将损害生物的细胞，甚至是直接对DNA发起轰击。

当距离继续缩短，能量的损耗也会跟着减少，这将导致地球的臭氧层被大面积剥离，此时的地球已经难以支持生命的存在。

如果距离再近一些，假定它就在今天比邻星的位置，那会怎么样呢？

比邻星是离太阳系最近的恒星，距离我们仅有4.2光年。在该距离下，地球接收到的能量将高达每平方米50亿焦耳，大约相当于在1平方米内引爆1吨TNT！可以想象，在如此猛烈的冲击波轰击下，虽然地球不至于四分五裂，但是也足以让整个地表来次大清理，彻底改头换面。

倘若再近一些，近到我们的太阳就是颗大质量恒星，那么当它迎来超新星爆发时，地球又会怎样呢？

假设地球机缘巧合躲过了红超巨星阶段的吞噬，在几乎贴脸的距离上硬扛超新星爆发。那么此时光是高能辐射就会使地球表面迅速升温到几千甚至是几万度，高温将会汽化地表的一切。再加上抛射物质形成的冲击波，地球就算没灰飞烟灭，那估计也会成为残骸一个。

虽然听起来很可怕，但现实中别说太阳，就是方圆一百光年内也没有这样的恒星存在。当前离我们最近的潜在超新星是距离太阳系150光年的飞马座IK（HR 8210）。

飞马座IK是一颗双星，其中的主星A是颗主序星，旁边的伴星B是颗白矮星。天文学家预计，当主星到了演化后期成为红巨星时，由于体积极度膨胀，主星的外层大气会进入旁边白矮星的吸积范围。之后白矮星会对主星进行疯狂蚕食，最终把自己变成一颗Ia型超新星。只不过这件事可能要到19亿年后才会发生。

（左:飞马座IK主星 / 中:飞马座IK白矮星/ 右:太阳）

除此之外，角宿一（室女座α）、心宿二（天蝎座α）以及我们熟悉的参宿四（猎户座α），它们在未来也都会成为超新星。尤其是参宿四，预计它在接下来的几百万甚至是几万年内随时会发生爆炸。不过这些恒星至少都在几百光年外，因此即使它们立马炸了也并不会危及人类。

等一下

太阳系可是一直在银河系中穿梭，这意味着，恒星的位置并非固定不变。虽然目前我们周围没有这样的恒星，但它并不代表以后没有。

如今，太阳系刚刚进入银河系的猎户座旋臂，而旋臂是星系中恒星较为密集的区域。这里的物质更容易受到挤压，因此也是孕育恒星的摇篮。但是，更高的恒星形成速率也意味着更高的恒星死亡率。这意味着，未来在穿越旋臂的过程中，我们将有更多的机会遭遇超新星爆发。

等一下

虽然超新星爆发的冲击波只能影响几十光年，但是核心坍缩型超新星可是还有伽马射线暴这个杀手锏。由于伽马暴的能量非常集中，它可以轻松在星际中击穿几千甚至是上万光年。虽说伽马暴的方向具有随机性，但只把时间跨度拉长，地球被伽马暴击中几乎是必然的。

从概率上来说，银河系每100年会有1.63次核心坍缩型超新星爆发。假设地球的生物圈还能再延续20亿年，在这期间，核心坍缩型超新星爆发的次数将会多达3000万次。未来，无论地球上繁衍着何种生命，总有一天，它们将不可避免地迎接“大过滤器”的再一次筛选。

[1] Beech, M. The past, present and future supernova threat to Earth’s biosphere. Astrophys Space Sci 336, 287–302 (2011).

[2] Wallner, A., Feige, J., Kinoshita, N. et al. Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe. Nature 532, 69–72 (2016).

[3] Henrik Svensmark. Evidence of nearby supernovae affecting life on Earth. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 423(2):1234–1253 (2012).

[4] Sloan, D., Alves Batista, R. & Loeb, A. The Resilience of Life to Astrophysical Events. Sci Rep 7, 5419 (2017).

[5] Brian D. Fields, Adrian L. Melott et al. Supernova triggers for end-Devonian extinctions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117(35):21008-21010 (2020).

↓ 内部交流 ↓