Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

[复制链接]
资讯发布 发表于 2020-1-14 19:51:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

20世纪末,Ia型超新星测距研究使人们认识到宇宙在加速膨胀,从而推论出暗能量的存在。这不但是天文学,更是物理学的巨大突破。

生存中,我们习惯于问哪些东西离我们有多远!例如,两地之间的距离。我们在地球上丈量距离很简朴、也很方便。但假如要问星系离我们有多远呢?我们就不可能拉尺子去量,或者来回一来回去测距离。现实上对天体距离的丈量是20世纪宇宙学最伟大的成就。它不但告诉了我们宇宙的规模,也告诉了我们宇宙的状态以及未来会走向何方。由于正是由于我们对星系的丈量才发现了闻名的哈勃定律。

今天我们就说下,Ia型超新星是如何产生的?它为什么能作为宇宙的量天尺,甚至比造父变星还要好用。

哈勃当年利用造父变星发现了宇宙在膨胀

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

当年,哈勃首次发现宇宙在膨胀时,他只有一种丈量宇宙学距离的工具,即一种特定类型的单颗恒星,也就是造父变星。造父变星属于高温、蓝色的恒星,光度很大且能变革,其性子和规律已被把握,且岂论是银河系内还是其他星系内的造父变星,性子和规律都类似。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

通过丈量这种恒星的固有参数(好比其光度变革的周期),可以推算出其固有发光本领的强度,再将这个强度与我们现实看到的它的亮度相比,就可以推断出它与我们的距离了。再团结这种恒星所在的星系的红移数值(即退行速率),就能得到整个星系的距离和相对速率。在丈量了充足多的含有这种天体的星系之后,自然就能估算出宇宙的膨胀率!

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

固然,与哈勃的期间相比,当前我们能用的工具已经丰富得多了。我们测算河外星系的距离时,已经不必再范围于寻找其中特定类型的恒星,而是有了一整套方法去确定“宇宙标准烛光”。“标准独光”这个名字是以蜡烛为例进行的一种比喻:假如已知一个物体自己发光的本领,就可以通过丈量它在你眼中的现实亮度去判断它与你的距离。距离与视觉亮度之间的这种关系,在天文学上也同样成立。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

利用标准烛光的做法面对着一个最大的限制因素,那就是当距离太远时,观测难度会大幅增长。这让我们极难测定宇宙早期的膨胀史,除非我们能找到某些自己光度极高的目的来满意需求。幸亏撤消上述对象外,另有一种更好的对象,它能在极远的距离上为我们充当最为坚固的标准烛光,这就是la型超新星,一种特殊的恒星爆发事件。

宇宙中恒星的命运

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

我们知道宇宙中全部恒星的能量都来自它们核心区的核聚变反应,这类反应的过程能通过把较轻的原子核融合成较重的原子核而释放出能量。质子会融合成氘,氘又可以与其他质子和氘核继承融合,通过链式反应生成氦。对包括太阳在内的绝大多数恒星来讲,前述反应既是其核聚变的主要反应,也是其能量的源泉。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

恒星在这种燃烧过程中,其核心区的温度和密度都会增长,而聚变反应速率和聚变反应区的直径也都会增大。不过,依照自身质量的差异,恒星可能落入以下三种差异的结局:

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

  • 质量很小的恒星,即那些质量不敷太阳的40%的恒星,永久达不到足以将氦聚变为更重的元素的温度。这种恒星在耗尽其核心区的燃料后,会冷却并坍缩为一颗由氦构成的白矮星。这种过程在宇宙已经走过的历程中不会发生太多次。
Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

  • 中等质量的恒星,即那些质量在太阳的 40%~400%(也或许高至800%)之间的恒星,会经历第二阶段的核融合反应。其核心区的氢元素耗尽后,星领会坍缩并升温,且温度可以上升到足以启动氦核的融合,由此产生诸如碳、氧等更重的元素。在这个第二阶段的核聚变因耗尽燃料而竣过后,成分(绝大多数)为碳和氧的星核也会坍缩,形成白矮星,其外层物质(主要成分为氢和氦)则会被抛散出去,成为行星状星云里的星际介质。
Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

  • 质量很大的恒星,即天生的O型星和那些质量偏大的B型星,其核心区不但可以让氢与氦发生核聚变,还可以继而让碳核聚变连续一段时间,制造出更重的各种元素,上限可以到达铁、镍、钴之类。这些恒星寿命的最终阶段显得非常壮观,由于它们会变成Ⅱ型超新星,然后留下壮丽的超新星遗迹,遗迹的中央则有一颗中子星或者一个黑洞。
Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

宇宙中已形成的小质量恒星们,即M型星,如今还都处于燃烧氢元素的阶段。宇宙的年龄对它们来说还很小,不敷以让它们把自己体内的氢耗尽,它们也无望爆发为超新星。质量很大的恒星则对重元素的形成起着非比寻常的作用,它们的寿命虽然相对较短,但能给岩质行星和有机分子的形成打下基础。不过,大质量恒星“死亡”时变成的Ⅱ型超新星可谓“千星干面”,缺乏划一的特点。其发光本领方面的“无标准”,很倒霉于我们的研究。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

幸好,中等质量恒星寿终正寝后留下的白矮星相当有趣:起首,它们几乎是由清一色的碳和氧构成的;其次,它们都在相似的物理定律的保障下避免了进一步的坍缩——量子物理学规律不允许两个完全类似的粒子占据同一个量子状态,这叫作“泡利不相容原理”。由此,电子们得以保卫住各自所属的原子核,使其不会在引力作用下继承相互靠近。

固然,假如没有下面这个特性,上述两点还算不上充足有趣:形成这种白矮星的恒星,其质量都低于一个特定的阈值,该值约莫是太阳质量的1.4倍,名为“钱德拉塞卡极限”。事实表明,要想理解能在宇宙中作为重要的“标准烛光”的la 型超新星是怎么诞生的,钱德拉塞卡极限是必备的知识。

la 型超新星是怎么来的?它为什么可以作为标准烛光?

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

白矮星是相当奇特的天体。这是一种与地球差不多大,成分也和地球一样是各种原子的星球,然而你能想象其密度是地球密度的几十万到数百万倍吗?假如人类到达这种星球的外貌,骨骼只消几秒钟工夫就会在巨大的重力作用下被完全压碎,肉体也会被自身的重量压扁,可谓死路一条。白矮星的外貌尚且如此,更遑论其中央地区的力气了!给白矮星加上越多的质量,其直径就会越小,其额外的重力作用将以不可阻挡的万钧之势去压缩星体所占的空间。保证白矮星不会垮掉的,只有量子简并压力——它来自泡利不相容原理,即禁止两个全同的粒子(如两个电子)以类似的性子在同一个空间共存。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

若不是有这种压力,白矮星核心部门的核聚变反应肯定会在高温和高压下失控,白矮星自己也就只能灰飞烟灭了。但即便有如此重要的量子机制特性掩护着,假如白矮星着实太重,还是会有失控的核聚变反应发生。电子之间的压力虽能资助原子反抗引力的作用,但也有一个限度,这就是钱德拉塞卡极限。

事实上,本来处于该极限之下的白矮星,主要有两种可以导致逾越这个极限的机制,这两种情况都可以启动后续的核融合反应,进而引发剧烈的爆炸,终结白矮星的存在,使之变成la型超新星。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

  • 白矮星可能从绕其运转的伴星那里吸取质量。虽然在我们的太阳系里,太阳是唯一的恒星,但是宇宙中更多的恒星都以两颗或更多颗为单元结成了恒星体系,即许多大质量的天体相互离得很近。白矮星的密度极高,以是它假如有密度相对较低的伴星,就能时常从伴星的外层抽取(吸积)质量。在大部门情况下,吸积过程是渐进的,核融合也是间歇性地被诱发,造成白矮星的亮度多次增长又回落,这就是“新星”(nova)。但颠末充足长的时间之后,白矮星的质量有可能终会逾越钱德拉塞卡极限,此后其核心区的原子们就要发生天翻地覆式的灾变了。
Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

  • 两颗白矮星假如偶然遭遇,就有可能融合为一体。假如二者是在直接碰撞中合体的,则情势会非常激烈;而若二者是在相互绕转中越来越近,最终才合体的,则情势就不那么剧烈。但岂论是上述哪种情形,两星归并后,其引力作用的总和都会使新的星体凌驾钱德拉塞卡质量极限,然后走向溃散的结局。

在这个“土崩瓦解”的阶段,天体核心区内的原子核会被挤压到很小的空间里(且经受极高的温度),这会使其量子的波函数发生重叠,由此,碳的聚变会在白矮星的中央开始。碳原子核会融合成更重的元素的核,并在这个过程中释放能量。但由于白矮星的密度太高,这些能量是无处散逸的,只能拥挤在粒子的附近,而这会大幅度提升粒子的温度。温度的升高,又会让周边的碳核聚变的反应速率上升,引发白矮星核心区内的更多原子参与融合反应,进一步给星体的内部环境加热。在狂飙突进的链式反应之下提高,直到整个白矮星以超新星爆发而终结。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

这类超新星就是所谓Ia型超新星,全部这类天体都具有相互划一的一些专有性子。由于它们的前身天体类型类似(都是白矮星),且质量都是略高于特定阀限的(约1.4倍太阳质量),这些la 型超新星展示出的光变曲线(发光本领随时间推移而变革的状况)也极为相似。它们都会在很短的时间内迅速增亮,到达亮度峰值后再徐徐地变暗。高度划一的光变曲线轮廓,与难分伯仲的最大发光本领,使得 la 型超新星事件成为一种极佳的“标准烛光”。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

只要测出 la 型超新星在地球上的观测亮度,以及它的亮度随时间而变革的曲线,再团结它所在的星系红移数值,就能算出这个刚刚有超新星爆发的星系离我们有多远了。

Ia型超新星怎么来的?为何又被称为“标准烛光”?

相互划一的光变性子,是 la型超新星成为超级易用的距离指示天体(即标准烛光)的重要条件,但并非唯一条件。这类超新星自身强大得超乎想象的发光本领也是不可或缺的。像太阳如许的恒星,输出能量的总功率是4×10^26特(即每秒4×10^26焦耳),也就是每一年释放出约莫10^34焦耳的能量。而la 型超新星的每一次爆发就能释放出多达约10^44焦耳的能量,这与太阳从诞生到死亡放出的总能量差不多了!

在把握 la 型超新星这一工具之前,人们的宇宙测距能量通常只有几亿光年,最多不过二三十亿光年;有了la型超新星的干系知识后,人类已经可以丈量上百亿光年的距离。1990年科学家通过对 la 型超新星的丈量,发现了宇宙在加速碰撞,直接指向了暗能量的存在。


来源:https://www.toutiao.com/a6781677865235644936/
免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作!

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则