诗人和作词人总是形容天是不变的，星星是不朽的。与地球上的普通生命过程相反，黄花菜和蝴蝶可能转瞬即逝，但太阳和星星会长存。然而，即使是恒星也会经历一定的生命周期，它们的故事引人入胜。毕竟，我们身体每一块骨头中的每一个钙原子都是在一颗古老的恒星内部产生的，然后恒星爆炸，将加工后的物质释放到星际空间中，其中一些物质后来形成了我们的太阳、地球和太阳系，最后是我们。
从人类的天文学角度来看，这个故事开始于仅仅 75 年前。当时的科学家对让星星发光的能源没有真正的了解。所有已知的可能性，从在火中燃烧木材等化学反应，到利用储存在恒星中的引力势能（换句话说，当恒星辐射时，它的尺寸会越来越小，直到严重缺乏所需的能量），这些能源可以为恒星提供仅仅1000年 到可能1000万年的动力。然而，我们对岩石和地球年龄的了解表明太阳存在了数十亿年。一场危机不可避免地接踵而至。在康奈尔工作的汉斯·贝特（Hans Bethe）表示，核物理学提供了知识链中缺失的一环，描述了恒星的结构和演化。如此多的观测谜题已经得到解释，一旦核燃烧假设被采纳，那么毫无疑问，这些巨大火气球是由微不足道的亚原子粒子驱动的，这些粒子非常小，要跨越大头针的头部大约需要1万亿个粒子首尾相连。宇宙确实是一个神奇的地方。
恒星核心的核炉提供的巨大能量是元素单向嬗变(transmutation)的结果，从氢到氦。正是这些过程导致恒星进化。当恒星把元素从氢烧到氦，再到碳和氧时，可提取的能量越来越少，一旦恒星的核心达到铁，核聚变就结束了。这颗恒星再也不能补充它的辐射消耗，它必须彻底改变它的结构。根据它的质量，它可以逐渐冷却，最终像火中的余烬一样死去，或者在一场完全灾难性的爆炸中凤凰涅槃，成为超新星。在这场仅持续几分钟的爆炸过程中，释放的能量如此之大，以至于在短时间内，这颗恒星的光芒超过了它所在的整个星系。想象一个比太阳亮1000亿倍的物体。虽然实际的爆炸持续不到一天，但其影响却持续了几个世纪。爆炸产生的气体以接近光速的速度向外喷射，并开始穿过恒星之间的空间。我们可以看到这些物质的积累，称为超新星遗迹，即使最初的爆炸发生在几千年前，遗迹现在仍在扩张。
上图是一张蟹状星云双曝光照片，公元1054年首次出现在天空中。其中一张曝光照片被印刷为白色，另一张拍摄于14年后，印刷并叠加为黑色。你几乎可以感觉到这口沸腾的大锅跨越星际空间。
我们之前曾多次在 DS9 中查看过 CAS-A 图像，现在我们想探索产生这幅令人难以置信的图像的一些物理原理。上图强调了以下讨论的内容。我强烈建议你用DS9打开Obs ID：114，这是初始化虚拟天文台时列出的第一个数据集。首先，你会看到部分的旋转正方形，它显示了钱德拉卫星的视野范围。此外，你会看到一个非常明亮的几乎是白色块状但有点圆形的区域围绕着一个中心点状物体。在块状区域之外，我们看到一个更微弱、更像束状的区域。这一切告诉我们什么？我们拼凑出以下故事：大约300年前，恒星（现在的中心物体）发生了爆炸。值得注意的是，这场大火显然没有被任何人看到。尽管正如我们所见，这些爆炸通常足够大，辐射可以提供足够的光线来阅读（甚至在午夜）。那我们怎么知道它是什么时候发生的呢？光学数据显示，物质通过多普勒效应以每秒数千公里的速度从物体向外流出。如果倒放扩张过程，物质将在大约350年内回到中心。因此，这个物体在约公元1650年应该是可见的。由于这个残余物以令人难以置信的高速扩张了300多年，现在它已经相当大了。与天文物体一样，到超新星遗迹的距离很难确定。最佳估计来自物质在数年内向外快速移动的结。刚刚在蟹状星云中看到了一个例子。在Cas-A的例子中，X射线图像中看到的亮点就是这种结的示例。如果我们知道结在空间中移动的速度有多快（再多普勒频移），并且知道它们在天空中的角度范围内移动了多远，就可以计算到它们的距离。在本周的作业中，你将深入探索这个想法。
我们在这张CAS-A图像中看到的明亮、几乎是圆形的环是爆炸产生的冲击碎片的当前位置。实际上，它是一个巨大的空心壳，在脉冲星附近的内部区域几乎没有物质，因为爆炸像扫雪机穿过雪地一样扫过物质。材料移动得如此之快，形成了冲击波。我们将其视为喷射物主环外的微弱外壳。残留物左侧可见的喷射状结构可能表明更高速度的物质通过星际介质的稀薄部分向外冲出。如果仔细观察喷流形状，会发现当你顺着它回到残骸的中心时，它似乎与那个微弱的小点（最中间的中心物体）对齐。从本周的作业结果中，你会看到残余物强度从中心开始稳步增加，直到半径约100弧秒，此后残余物强度越来越弱。这可能是你对带致密外壳的空心球所期望的。事实上，这种发射的确切性质及其形态或形状是目前深入研究的主题。通过观察这样的剖面，天文学家希望能够深入了解原始爆炸的性质，并更好地了解激波前沿形成和穿越太空的机制。
这还不是最好的。这个物体最令人兴奋的数据涉及来自残余物不同部分的X射线的能谱。就像蓝色火焰比红色火焰更热，钠蒸气灯是黄色的，而水银灯是蓝色的，X 射线可以告诉我们发射区域的状态以及物体各个部分中存在哪些物质。当你观察钱德拉从CAS-A收集到的所有X射线光子的能量时，就形成了一幅非凡的画面。我们在X射线光的连续背景上叠加，检测元素指纹。就像棱镜接收阳光折射成彩虹一样，钱德拉上的探测器检查X射线。正如彩虹包含有关太阳化学成分的信息一样，钱德拉能谱也告诉我们有关超新星回收材料的信息。里面啥都有：生命的基石、钙、氧、铁。接着去DS9看看。
