宇宙中的「大螃蟹」是何時誕生的？
蟹狀星雲源於1054年的一次超新星爆發。而對於1054超新星，有一個關鍵問題始終困擾著大家：這樣顯著的一次異常天象，全世界難道只有中國人看到了嗎？
蟹狀星雲的「定妝照」。這張照片通過哈勃太空望遠鏡寬視場行星相機（WFPC2）在 1999年10月到2000年12月期間拍攝的24張獨立照片拼接而成。
撰文 | 黎耕（國家天文台）
編輯 | 金庄維
天文學家伯比奇（Geoffrey Burbidge）曾表示，現代天文學可以分為對蟹狀星雲的研究以及對宇宙中其它天體的研究。雖然這聽上去有些言過其實，不過在一定程度上也切實反映出蟹狀星雲在天體物理學中舉世無雙的地位。
蟹狀星雲源於1054年的一次超新星爆發。對於這次事件，中國史書做了詳細的記錄。相比九百多年前，對於蟹狀星雲的爆發機制以及內部環境等性質，我們如今已經了解很多，但1054超新星究竟是何時爆發的，至今仍有很多爭議……
「客星見」
圖1. 《文獻通考》卷二百九十四中記載的北宋至和元年（1054年）客星出沒
公元1054年7月4日，對於開封北宋司天監官署里的天文官們來說，註定是一個忙碌而不平凡的日子。清晨，在東方靠近地平的天關（金牛座）附近，出現了一顆異常明亮的「客星」。所謂「客星」，就像我們常說的「客人」一樣，是指平時不能見到、偶爾才會出現的短暫異常天象。明代《觀象玩占》記載：「客星，非常之星，其出也無恆時，其居也無定所，忽見忽沒，或行或止，不可推算，寓於星辰之間，如客，故謂之客星。」
古代的客星記錄通常是指彗星、新星或超新星。對於現代天文學家而言，如果在有生之年能趕上一次肉眼可見的超新星爆發，絕對會興奮不已——不過北宋司天監的官員們或許並不這麼認為，因為大多數客星在占星術中所代表的含義都不太好。他們當時根本不會想到，這次客星的來訪會持續近兩年的時間；他們當然更不會想到，這只是人類與它的第一次擦肩——在隨後的一千年里，它彷彿與人類結下了深深的不解之緣。
再度邂逅
根據中國史書的記載，1054年的「客星」在天空中停留了643天之久，隨後慢慢變暗，直到1056年4月6日才最終「消失」，再次沒入黑暗的宇宙之中。從那以後的六百多年間，再也沒有人提起過它。
直到1731年，一位名叫貝維斯（John Bevis）的英國醫生才通過望遠鏡看到並記錄了這顆「客星」，只不過即便在貝維斯的望遠鏡中，它已經變得非常暗淡。1844年前後，愛爾蘭天文學家羅斯伯爵三世（William Parsons）用91厘米望遠鏡再次找到了它，並描繪了它的第一幅畫像。因為畫像看起來像一隻螃蟹，從此以後它便有了新的名字——「蟹狀星雲」。
實際上，早在羅斯伯爵三世的1.8米望遠鏡造好之後，他便已經看清了蟹狀星雲內部那些不斷向外延伸的纖維狀的結構。也許真正的它看起來並不像一隻螃蟹，但「蟹狀星雲」這個名字仍然被大家約定成俗地沿用了下來。
1774年，法國天文學家梅西耶（Charles Messier）在編著《星雲星團表》的時候，將第一名的位置留給了蟹狀星雲，編號為M1。在1880年刊發的《星雲和星團新總表》中，蟹狀星雲又有了第二個編號：NGC 1952。
圖2. 蟹狀星雲的形象最早出現在英國《皇家學會哲學彙刊》第134卷，《對於一些星雲的觀測》一文的插圖中（1844年）
蟹狀星雲與「中國超新星」
如今，愛好天文的人幾乎都知道，蟹狀星雲是一個超新星遺迹，它來自九百多前的恆星在生命末期發生的劇烈爆炸。天文學家如何知道它們之間的關係呢？這還要從十九世紀末照相術的發明說起。
1892年，蟹狀星雲擁有了第一張照片。29年後，天文學家鄧肯（John C. Duncan）在比對威爾遜山天文台11年間拍攝的兩張蟹狀星雲照片時，意外發現它在不斷地膨脹。同年，瑞典天文學家倫德馬克（Knut Lundmark）也注意到，蟹狀星雲的位置與中國北宋時期記錄的一顆 「客星」位置相近。1928年，著名天文學家哈勃（Edwin Hubble）第一次做出了決定性的判斷：
蟹狀星雲膨脹的速度很快，按照這種速度，只需要900年左右的時間，它就可以膨脹到現在的大小。在古代天象記錄中，蟹狀星雲附近只有一次新星出現的記載，那就是中國記錄中的1054年。
在哈勃的時代，「超新星」的概念尚未被提出，人們對於這類天體的物理性質了解非常有限。不過很快，美國天文學家梅耶爾（Nicholas Mayall）、荷蘭天文學家奧爾特（Jan Oort）以及荷蘭漢學家戴文達（Jan Duyvendak）就開始了聯合探索，並且成功地在《宋會要》一書中找到了重要線索：「嘉佑元年三月，司天監言：『客星沒，客去之兆也。』初，至和元年五月，晨出東方，守天關，晝見如太白，芒角四齣，色赤白，凡見二十三日。」
這段記錄，不僅詳細闡明了1054年客星出現的時間和位置，甚至還有亮度變化的信息。所謂「太白」就是金星，其視星等約為-3.3等。藉助這些線索，我們就可以畫出1054客星的光變曲線，天文學家據此判斷它應該是一顆超新星！而蟹狀星雲，正是這顆超新星爆炸之後所產生的遺迹。
一炸成名
1054年的超新星爆發，究竟會產生怎樣的天象奇觀？相比九百年前的人們，如今的我們已經知道了很多。
這顆超新星的質量遠遠超過太陽，在它生命最後一瞬間所釋放出的光，比太陽的光芒強5億倍——所幸它距離我們足有6500光年。如果把1054超新星放到距離我們7.8光年的天狼星的位置上，那麼這次爆炸將有滿月那麼亮！6500光年的距離還意味著，這顆超新星其實是在公元前5500年左右爆炸的，那時候人類還處於新時器時代，只不過它的光直到北宋時期才到達地球。
這次爆炸所產生的蟹狀星雲，直徑有13光年，相當於地球到太陽距離的82萬倍。並且它正在以約1500公里/秒的速度向外膨脹，相當於每秒就膨脹出一個北京到上海的距離。
蟹狀星雲除了發出我們肉眼看得見的可見光之外，還會發射無線電波、紅外線、紫外線、X射線以及伽瑪射線。如果我們的眼睛可以看到無線電波，那麼你將發現天空中有不止一個太陽，蟹狀星雲就是其中一個。
圖3. 通過VLA射電陣、Spitzer空間紅外望遠鏡、哈勃空間望遠鏡、XMM-Newton紫外線天文台、Chandra X射線天文台拍攝的不同波段的蟹狀星雲 (NASA, ESA et al. 2017)。
蟹狀星雲與中國客星的證認，極大地促進了歷史超新星（historical supernovae）的研究，引得不少一線的天文學家也開始翻閱古籍，查找能與天文觀測相吻合的歷史記錄。別看這些歷史記載非常粗糙，故紙堆中的隻言片語對我們深入探究新星與超新星的物理機制和分型有重要幫助。但是信息量過少，難免給本已畫上句號的故事平添了一層迷霧。對於1054超新星，有一個關鍵問題始終困擾著大家：這樣顯著的一次異常天象，全世界難道只有中國人看到了嗎？
尋找目擊證人
果不其然，在眾多學者火熱上陣，紛紛開始尋找1054年「目擊證人」之後，許多線索陸續浮出水面。
最早被挖出的是日本古籍。1942年，奧爾特就發現在日本的《明月記》與《一代要記》中都有關於1054超新星的記錄。根據《明月記》的記載：「天喜二年四月中旬以後，丑時，客星出觜參度，見東方，孛天關星，大如歲星。」此處的「天喜二年四月中旬」以後，大約相當於公曆的1054年5月19日到28日，比中國記錄的7月4日早了一個半月。不過天文計算顯示，在這段時間內，1054超新星的位置恰好與太陽相合，因此不可能看到超新星爆發。
奧爾特由此斷言日本記錄中的「四月中旬」有誤，實際或為「五月中旬」（約6月19日到28日）。而王德昌（1977）更是估計，只有「六月中旬」甚至「七月中旬」的天象，才能與它的顏色和位置等更加吻合。這樣一來，日本記錄便被人為地錯後了兩三個月，比中國記錄的爆發時間更晚。歷史記錄的不自洽似乎從一開始就埋下了伏筆。
1953年6月，美國威爾遜山與帕洛馬天文台的攝影師米勒（William C. Miller）在亞利桑那州北部納瓦霍印第安保留區的White Mesa發現了一幅岩畫，繪有新月的形狀與一個圓圈。翌年，天文學家艾伯特（Helmut A. Abt）在納瓦霍山谷中又發現了一幅類似的岩畫，不過新月與圓形相交。由於印第安人很少有繪製天象的習慣，因此他們認為這兩幅圖所描繪的應該是不尋常的天象。霍伊爾（Fred Hoyle）猜測這一天象或許與1054超新星爆發有關。根據米勒的計算，1054年7月5日，月亮恰好是新月形，且與蟹狀星雲的位置相距在2°以內，這幅岩畫中的天象貌似與超新星的爆發吻合得挺好。
圖4. 米勒（左）與艾伯特（右）分別在亞利桑那印第安土著地區發現的岩畫
但是艾伯特發現的那幅相交的岩畫則不好解釋，因為超新星根本不可能與月球相交。關鍵問題是，岩畫的年代很難斷定，只能大致估計為在10-12世紀之間。1979年，布蘭德特（Brandt）與威廉森（Williamson）給美國國家公園管理處致信，請他們協助尋找岩畫。出人意料的是，在美國西南地區與墨西哥北部，最終總共發現了31幅類似的圖案，兩種類型各佔一半。
方丹（J. W. Fountain）隨後還在亞利桑那州一個叫做Sears Point的地方發現了另外一幅稍顯不同的岩畫。在這幅畫上，中間多了一個十字形狀的圖案。根據考古學家的猜測，十字圖案可能代表金星。而方丹計算了天象，認為這幅圖表現的是1054年4月13日傍晚，此時月球、金星與超新星恰好位於一條直線上。
圖5. 方丹發現的岩畫。距猜測，畫中描繪的是新月、金星與1054超新星位於一條直線上。
1978年，布雷徹（Kennetch Brecher）在《Nature》上發表論文稱，在阿拉伯的一本醫學百科全書中找到一條巴格達基督物理學家伊本巴特蘭（Ibn Butlān）所記載的資料。根據敘述，在回曆445年（即公元1054年4月23日到1055年4月11日），埃及發生了饑荒。第二年，即回曆446年（公元1054年4月12日到1055年4月1日），一顆壯觀的星出現在雙子座。那一年尼羅河水位低落，伴隨著瘟疫，而且蔓延到整個近東地區。這條記錄中，無論是時間還是位置都極為粗糙和不精確，它只能表明近東地區也可能觀測到了1054超新星的爆發。
上世紀90年代，又有人稱在西歐文獻中找到了1054年超新星爆發的「證據」。之所以這裡的「證據」要打引號，是因為相比中國和日本的記錄，說它們是證據實在有些言過其實。1054年，歐洲尚處於黑暗的中世紀，即便有一些隻言片語的記錄，也表述得十分隱晦。例如，1054年4月19日教皇利奧九世去世，羅馬教廷的一位副祭師在寫給他的悼詞中提到，教皇將由天使帶入天堂，「沿著那條鋪滿了華麗面料的道路，點亮了無數盞明燈」。而這些明燈，被解釋為1054年4月19日，木星、金星、火星與水星以及超新星皆在天空可見，這種解釋略顯蒼白。
另一種觀點
自1942年梅耶爾等人的研究發表之後，中國記錄的「1054年7月4日」一直被學界當做這顆超新星的爆發確切日期。不過柯林斯（George W. Collins II）、艾伯特等人又提出了另外一套觀點：
1054年4月中旬，這顆超新星發生了爆炸，當時位於美國亞利桑那州的印第安人在岩壁上記錄了景象，其中新月與蟹狀星雲的位置正是4月11-13日的天象；在歐洲，教皇利奧九世於4月19日去世，於是信徒們用滿天星斗的言語為他祝福；在近東，埃及發生了饑荒，尼羅河水位低落，一位伊拉克物理學家記錄了超新星爆發的事實；而在中國，宋仁宗的愛妃剛剛去世兩月有餘，仁宗悲痛不已，司天監的官員根本不敢上報這次異常天象，生怕惹惱了皇帝；日本人則沒有在第一時間看到，直到超新星與太陽相合之後才觀測到，還記錯了日子。
艾伯特等人的這些猜想必須基於一系列的假設：中國人因為重大政治事件而刻意隱瞞了超新星的爆發；正處於黑暗時期的歐洲人則無暇觀測記錄天象；印第安土著的岩畫必須畫於11世紀，而且都反傳統地把這顆超新星作為圖騰繪製於各處。當然，即便是這樣，那幅新月與超新星相交的圖案仍然無法解釋。
中國人會漏記嗎？
那麼，有沒有可能確如艾伯特所假設，中國司天監的官員們在1054年春天就看到了這顆超新星，卻沒有上報呢？
乍看上去，這不太可能。因為中國古代的天文機構屬於官營，受到君命天授的思想影響，古代天文學與政治的關係密切。北宋初期即設置了司天監，監內「設監、少監、丞、主簿、春官正、夏官正、秋官正、冬官正、靈台郎、保章正、挈壺正各一人。掌察天文祥異，鐘鼓漏刻，寫造曆書，供諸壇祀祭，告神名牌位，畫日。監及少監闕，則置判監事二人，以五官正充。禮生四人，歷生四人，掌測驗渾儀、同知算造、三式」。
可見，北宋司天監無論是從規模上，還是從建制上都堪稱完備，在同時期的天文機構中無出其右者。僅在司天監內部，就設置了相互監督與制約的機制，以防漏測或偽造。更誇張的是，即便這樣，北宋皇帝對於司天監仍不放心，於北宋初年又設置了翰林天文院。「翰林天文」扮演著皇帝身邊天文顧問的角色，在宮內增設天文儀器，與司天監相互關防。
如此看來，一切都顯得完美。可是偏偏在1054年初，在宮內發生了一件大事。根據《宋史》的記載，宋仁宗偏寵一位名叫張氏的妃子。張妃八歲進宮，因為容貌舞姿出眾深得仁宗喜愛，也因此讓自己的家族得以加封進爵。她曾求情宋仁宗，封自己的父親張堯佐為宣徽南院史，終因諫臣包拯的極力反對才最終作罷。
皇祐六年（1054年）正月，張貴妃薨逝，宋仁宗悲痛不已，輟朝七日並自製輓歌，毫不理會當朝曹皇后仍然在世的事實以及朝臣反對，以皇后之禮為張貴妃發喪，並賜謚號為溫成。可想而知，經歷此事，朝廷的占星家們必定是小心翼翼，如履薄冰，生怕引火燒身。
圖6. 通過Stellerium天文軟體模擬的1054年7月4日4:30北宋開封夜空
根據中國古代的占星理論，客星共有三種七星。除去周伯星之外，其它占辭均為凶。這也就不難理解當一顆如此明亮的客星出現在天空，且遲遲不滅的時候，司天監的官員們是怎樣一種心情了。
占星師楊惟德
1054超新星最終能被記錄下來，有一位叫楊惟德的人功不可沒。
楊惟德是北宋時期的天文與占星家，年輕時曾在司天監讀天文生，導師是著名天文儀器專家韓顯符。他在畢業後留監工作，任司天監保章正，專門負責編製曆法及測量日影。在史書中並沒有多少關於他生平的記載，也沒有為他立傳，不過楊惟德做了不少名留青史的工作。
1030年，他參與了燕肅蓮花漏的測驗工作，並解決了「不與崇天曆合」的重大技術問題，深獲皇太子的好感。隨後他調任太子洗馬，成為太子的助手之一。1034年，他主持編成《景祐乾象新書》，其中包含了二十八宿的最新觀測成果，當然其中也少不了大量的星占理論與佔法。
完成幾個重大項目之後，他終於獲得皇帝的青睞，升入殿中省為官，併兼著司天監的差事。1041年，楊惟德結束了自己在司天監三十多年的職業生涯，調任將作監——這是一個專門掌管宮室建築、打造金銀珠寶和綾羅綢緞的衙門——也許正式由於楊惟德勘驗風水的本領得到了賞識，朝廷決定委派他到主管建築的部門。
1054年8月27日，在中國史書記載超新星爆發的一個多月後，楊惟德突然重操舊業，向朝廷彙報了這一異常天象。據《宋會要》記載：「至和元年七月二十二日，守將作監致仕楊惟德言：『伏觀客星出見，其星上微有光彩，黃色。謹案《黃帝掌握占》云：『客星不犯畢，明盛者，主國有大賢』。乞付史館，容百官稱賀。詔：『送史館』』」究竟是什麼原因迫使這位時年已有七旬，離開天文占星行業十幾年的老將再次出馬呢？或許，這正是客星的占辭讓司天監與翰林天文院的官員們左右為難所致。
從楊惟德的分析可見，他最終將對客星的占卜歸於祥瑞之兆。而在占星上德高望重的楊惟德既然下此結論，當然免不了百官稱賀，龍顏大悅，並最終名留青史。1054年7月4日，也成為史書中言之鑿鑿的「客星見」的時間。
有意思的是，在一本叫做《契丹國志》的書中，還有這樣一段記載：「重熙二十四年（公元1055年）八月，國主崩……先是日食正陽，客星出於昴，著作佐郎劉羲叟曰：興宗其死乎至是果驗」。《契丹國志》為南宋時期葉隆禮奉皇帝之命所編著，雖然有所爭議，不過作為史料也具有很高的參考價值。其中提到的這位劉羲叟，是北宋時期天文占星家，《宋史》記載劉羲叟「尤長於星曆、術數」。正是通過這段半正史半野史的記載，我們發現了一段極其阿Q的歷史圖景。因為宋朝的同志們最終發現，這顆代表著衰運的客星，原來是把死對頭契丹國王耶律宗真給剋死了啊！
結語：留給未來的疑問
這些歷史故事中，究竟哪些是真實的，哪些是虛構的，我們恐怕永遠也無法確切知曉。對於1054超新星事件而言，儘管存在著各種腦洞大開的猜測，但正如歷史超新星的研究權威斯蒂文森（Richard Stephenson）等人在著作《歷史超新星》（Historical Supernovae，1977）以及論文中始終所堅持的，目前為止真正可信的記錄只有中國史書中的記載。
不過，1054超新星究竟是什麼時候爆發的？這個問題的真正解決，或許最終還要依靠天體物理學家的努力。設想一下，在未來的某個時候，當我們對超新星爆發的物理機制有了極為深入的了解，便可以通過模型，將其爆發時間精確限制到一個月之內。這樣，問題不就解決了嘛！
作者簡介
黎耕，國家天文台副研究員、中國科學院大學副教授，中國科學院青年創新促進會會員，中國科學技術史學會天文學史專業委員會執委，青年科學家社會責任聯盟理事。畢業於南京大學天文系，獲理學學士學位，於中國科學院自然科學史研究所科學技術史專業獲理學碩士與博士學位，從事天文學史研究。
文章來源：賽先生
參考文獻：
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