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la型超新星为啥会成为幽暗宇宙中最远的标准烛光?

标准烛光,顾名思义,就是亮度有一个标准的光源。在天文学界,宇宙中有许多用于标准烛光的天体,用于测量遥远天体的距离。

其中有一种叫la超新星的标准烛光,那么这是一种什么样的烛光呢?我们一起来了解一下。

啥叫la超新星?

超新星就是宇宙天体由于某种原因突然爆发,巨大能量照亮太空的现象。总体上来说,超新星爆发主要是大质量恒星演化后期,核心坍缩的结果。

一般认为,大于太阳8倍以上的恒星,在演化后期会发生超新星爆发,核心残留的质量会坍缩成一个中子星或者黑洞。

质量太大的恒星,如大于太阳质量100倍甚至200倍以上,由于核心温度太高,一些光子会达到一个临界阈值,导致重力坍缩,发生灾难性热核失控,整个恒星被摧毁,不会留下任何残余。

如果把大质量恒星爆发作为典型超新星的话,还有一些非典型超新星爆发,如白矮星、中子星、黑洞同类或者不同类之间相撞,导致巨大能量爆发。

la型超新星是白矮星吸积或者相撞融合达到一个阈值的结果。

前面已经说了,要太阳质量8倍以上的恒星,在演化末期才会发生超新星爆发,那么太阳质量8倍及其以下的恒星最终是一个什么结局呢?

就是白矮星。

一般认为太阳质量0.8倍到8倍以下的恒星,演化后期中心压力和温度无法激发碳以上元素的核聚变,由于氦闪等复杂机制,会膨胀成一个红巨星,半径扩大到原恒星的数百倍,最终这些膨胀的外壳会弥散到了太空,形成新的星际尘埃和星云,而中心残余质量压缩成一个至密白矮星。

白矮星的性质。

白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒星,因为它的颜色呈现白色,体积较小,就被叫做白矮星。

白矮星只有地球大小左右,却达到0.6到1.3个太阳的质量,因此其物质密度很大,每立方厘米达到10吨左右。白矮星中心已经没有核聚变能量来抵抗重力崩塌,而是由极端高密度物质产生的电子简并压来支撑。

电子简并压力——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)以相同的性质在同一个空间共存。于是这些电子竭力的顶着巨大压力避免违背泡利不相容原则,使原子核保持着独立的形态。

但这个支撑是有限度的,一旦白矮星质量达到某个质量临界点,电子简并压就无法承受巨大的重力压力而导致星体崩溃。

这个临界点就是所谓的钱德拉塞卡极限。

钱德拉塞卡极限是以印度裔美籍天文物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡名字命名的,因为是他经过计算,得出白矮星的最高质量不得超过2.86x10^30kg,也就是太阳质量的1.44倍。

钱德拉塞卡极限计算公式为:

理论分析认为,白矮星占有恒星的10%左右,现在观测到银河系距离我们不远处就有数百颗白矮星,因此白矮星是一个宇宙中常见的天体。

白矮星内部已经没有足够的温度和压力来激发进一步的核聚变,只能够慢慢冷却,但这种冷却需要几十亿年。

由于宇宙寿命才有138亿年,而成为白矮星的恒星寿命都有几十亿年到100亿年以上,因此现在还没有完全冷却下来的白矮星~黑矮星。

白矮星爆发的机会并不少。

白矮星是中小质量恒星死亡的尸骸,没有发生过超新星大爆炸的产物。

基于此,似乎白矮星往往不甘心就这样死去,总想着轰轰烈烈爆发一回彰显自己的存在。

它们通过吸积会不断增加自己的质量,到达钱德拉塞卡极限后,就会发生超新星爆发,这种爆发就是la型超新星。

白矮星为啥会发生吸积呢?其吸的积从哪来呢?

原来我们这个宇宙,像太阳这样的单恒星系统并不多,只占有25%左右,而双星、多星系统占了75%,其中双星系统占有50%左右。

距离我们最近的半人马座a星就是一个三合星系统,而最亮的恒星天狼星则是一个双星系统。

这样就给白矮星的稳定带来了很大不确定性。

当一个双星系统其中的一颗先到了年龄死去,成为一颗白矮星时,另一颗还处于恒星主序星或者演化末期,而白矮星由于密度很高,巨大的引力就会对附近的天体物质产生吸积。

上图的天狼星B就是一颗约太阳质量的白矮星,而A则是一颗太阳2倍质量的蓝矮星。

如果这颗伴星变成了红巨星,半径扩大了很多倍,就有可能到达白矮星的吸积引力范围,通过吸取伴星的物质,渐渐长胖,到达了钱德拉塞卡极限。

钱德拉塞卡极限是支撑电子简并压的上限,到达这个上限,白矮星就无法按抵御重力收缩的压力了,就会突然产生快速坍缩,中心压力和温度急剧升高,达到了碳融合所需的温度,在核聚变发生的几秒钟之内,会发生热失控反应,释放出极高的能量,爆发成一颗超新星。

还有一种方式,就是这个双星系统的两颗恒星都死亡变成了白矮星,两颗白矮星会相互吸引玩起二人转,渐渐靠近发生融合,同样达到钱德拉塞卡极限,就发生爆发。

这就是la超新星。这种超新星爆发的能量可以达到太阳一生能量的总和,甚至几千亿倍,其亮度可以达到绝对星等-19.5左右。

那么la超新星为什么会成为标准烛光呢?

这是因为la超新星具有一个爆发标准,这就是la超新星爆发都是白矮星吸积达到钱德拉塞卡极限,质量都是约太阳的1.44倍,爆发出来的能量和亮度,以及光变曲线是相似的,因此这个烛光是标准的。

还有一点就是,超新星爆发是宇宙中最亮的天体。前面说了,超新星爆发的亮度可以达到一个甚至若干个星系的总亮度。太阳一生所辐射的能量约10^34焦耳,而超新星瞬间能量可达10^46焦耳。

la超新星绝对星等可以达到-19.5,因此这个烛光又是最强大的烛光,可以延伸人类的视野。

这样无论la超新星在多远爆发,科学家们都知道它的基本属性,知道它的大致绝对星等,就能够计算出它的距离。

天体光度标准叫星等,星等有绝对星等和视星等两个标准。

绝对星等是指恒星的绝对亮度,也就是其真正的亮度,是假设所有恒星在距离我们10秒差距这个同一起跑线上看到的亮度。

视星等不是天体的实际亮度,而是我们肉眼感受到的亮度。因为天体有远有近,有大有小,有发光的和不发光的,这些条件都排除在外了,只是根据人眼看到的亮度来确定。

因此即便不发光的行星、卫星等天体,也有视星等,但没有绝对星等。

绝对星等和视星等可以换算,并且与距离呈比例关系。

星等是以数值来衡量其光度的,数值越大,其光度越小,数值越小,光度越大,还有负数,负得越多,说明这个天体越亮。

星等每一等亮度差值为2.512倍,也就是以2.512为底数,以等级差为指数,可以计算出不同星等天体亮度差值。比如1等星的亮度就比6等星大100倍。

视星等、绝对星等、距离可以换算,因此如果已知绝对星等和视星等,即能够得到距离值。

绝对星等与视星等换算公式为:

M=m+5lg(d0/d)

其中M为绝对星等;m为视星等;d0为10秒差距,取值32.6光年;d为恒星距离,单位光年。

这样人们知道了la超新星的绝对星等,再根据人类看到这颗超新星的目视星等,就能够计算出它与我们的距离。

知道了这颗la超新星的距离,也就知道了它所在星系的距离,及其附近一些天体的距离。

这就是标准烛光的作用。

宇宙标准烛光有多种,但la超新星是最亮最远的那种。

科学家们用于测量宇宙天体,采用多种标准烛光。

天琴座RR型变星,又称星团变星,作为标准烛光可用于测量银河系内和临近球状星团的距离,只能测量万秒差距的距离;食双星作为标准烛光,可以测量距离3百万秒差距距离的星系;造父变星作为标准烛光,可以测量数千万秒差距距离。

这些最远也就可以测量几亿光年距离,而采用la超新星为标准烛光,可以测量几十亿秒差距距离的星系,也就是百亿光年的星系。

迄今人类发现最远的la超新星SN UDS10Wil,其红移值达到1.914,距离我们有105亿光年。

当然宇宙中还有更大的能量爆发,就是顶级死神能量伽马射线暴。

实际上伽马射线暴也是超新星爆发是迸射出来的巨大能量流,一般发生在最大恒星爆发或者中子星、黑洞相撞融合时,从磁极释放的最后能量,这种能量可以传送的更远更亮,但不“标准”,有大有小,因此不能够作为“标准烛光”。

因此,la超新星是迄今能够测距最远的“标准烛光”,也就是最长距离的量天尺。

对于la超新星作为标准烛光准确性也有争议。

这主要是由于la超新星除了典型单简并爆发,就是单个白矮星吸积爆发外,还有双间并爆发,即两个白矮星合并爆发。

因此,这两者兼有的la超新星爆发,到达钱德拉塞卡极限的方式和速度不一样,光度是有区别的,在计算距离上就会存在不确定性。

另外光度还有较大的弥散性,甚至达到2~3个视星等差距,就更加增加了距离换算的不确定性。

因此,现在对于遥远天体距离的测定,天文学界一般都采用多种方法综合计算,比如现在常采用的星系红移计算等等。

这是基于宇宙是在不断膨胀的,而且膨胀的速度是与距离成线性正比例关系的,也就是越近越慢越远越快,再根据光线远离光谱会向红端移动,靠近会向蓝端移动,而且速度越快红移量越大的特性,就能够计算出远方天体的距离。

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责任编辑: 鲁达

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