您当前的位置: 首页 >  博客资讯

什么是新星、Ⅰa型超新星和Ⅱ型超新星?

宇宙这个话题已经讲到了26期,那么在前面的文章中我们已经说完了宇宙的过去,从宇宙暴胀、到大爆炸、再到中性原子形成,以及星系、星系团、大尺度结构的形成。

那么在考虑了宇宙的过去以后,我们肯定就要思考宇宙的未来了,也就是说,一个膨胀的宇宙会给人类带来怎样的结局?

从1929年哈勃发现宇宙在膨胀以来,到1998年的70年间,我们一直认为,如果宇宙中的能量形式就是我们常见的普通物质、辐射、暗物质和中微子的话,那我们的宇宙从诞生以后到今天,乃至未来一直都会经历减速的过程。

如果没有啥特殊原因的话,我们宇宙会有以下三种结局:

第一种,大坍缩!这是大爆炸的一个逆向过程,说的是,宇宙从一个初始膨胀率开始,一直在经历着不断变大的过程,但是其中的物质和辐射所产生的引力一直在对抗着宇宙的膨胀。

如果物质和辐射的能量密度足够大的话,它们所产生的引力会将宇宙的膨胀率降为0,然后变为负数,也就是说,引力不仅会让星系的退行速度持续减慢,而且还会逆转膨胀,整个宇宙会进入一个收缩的阶段。

第二种,大冻结,跟上面的情况正好相反,物质和辐射的能量密度虽然可以一直降低宇宙的膨胀率,但是它不能让膨胀率降为0,更不能使其变为负数,而会使得膨胀率无限的下降到一个不为0的正数,这样的宇宙会一直变大,星系距离我们会越来越远,空间会越来越冷,所以叫大冻结。

第三种,临界宇宙,这种情况的宇宙正好处在了以上两种情况的中间态,说的是,宇宙初始膨胀率和物质、辐射的能量密度完美平衡,引力会让宇宙膨胀率无限的降低为0,这样的宇宙既不会坍缩,也不会无限的变大,而是会无限的趋近于一个最大的值。

需要注意的是,宇宙膨胀率说的是单位距离上的速度,比如,每百万秒差距每秒72千米,意思就是每隔326万光年,星系的退行速度会增加每秒72千米。

在以上的三种情况中,宇宙膨胀率一直都在下降,第一种降到了负数,第二种无限的下降到了一个不为零,但是一个很小的正数,第三种就无限的下降到了0。

虽然宇宙膨胀率一直在下降,但是除了第一种情况以外,其他的两种情况,只要是膨胀率不变为负数,星系都在远离我们,只是远离我们速度在不断的下降。这个需要搞清楚,并不是说膨胀率下降了,星系就要靠近我们。

好,我们接着说,那宇宙的未来具体是哪种情况,我们就需要对宇宙的膨胀历史作出探查,看一下宇宙从诞生以后的膨胀率是不是一直在下降,下降的规模是多少,因此我们就能推断出以上三种情况,哪种更符合我们的真实宇宙。

要想了解宇宙的膨胀历史,就需要对不同时期的星系的距离以及红移进行测量,那哈勃当年用的造父变星肯定就不管用了,因为造父变星的适用距离非常有限,只有数百万光年。

不过在这之后人们还是找到了很多测量距离的办法,在前面的文章我也提到过,其中最著名,适用距离最远的测距办法就是Ⅰa型超新星

再说Ⅰa型超新星之前,我们先说白矮星是怎么来的?因为Ⅰa型超新星的爆发跟白矮星有着直接的关系。

我们知道宇宙中的恒星之所以能发光发热,都源自于中心区域的核聚变反应,但是根据恒星质量的不同,其所进行聚变反应的速度和聚变反应的程度也不同,具体分为三种情况:

第一种,当一颗恒星的质量大于太阳质量的8%,而小于太阳质量的40%的话,这种恒星的光谱型就是M型,也就是我们常说的红矮星,它虽然只能将氢聚变成氦,而且反应速度也很慢,但是它能够在一生中将自身包含的所有的氢元素烧完,所以它的寿命很长,最长的红矮星的寿命能达到20万亿年,这是啥概念,当今宇宙的年龄才138亿岁。

这种恒星死亡以后,不会发生爆炸,而是会静静地变成一颗完全由氦组成的白矮星,很明显,我们的宇宙中现在还没有这种类型的白矮星。

第二种,当一颗恒星的质量大于太阳质量的40%,小于8倍的太阳质量的话,这种恒星的光谱型包括:K、G、F、A、和部分B型,它们能够在即将死亡的时候,启动第二阶段的核聚变,将氦继续融合,生成碳、氧、氖、镁、硅等一些重元素,在它们死亡以后,核心区域会坍缩成一颗由碳和氧组成的白矮星,并且会吹散外壳,形成行星状星云。

这种恒星的寿命比较短,数十亿年,到百亿年之间,所以现今宇宙中的白矮星都是由碳和氧组成的。

第三种情况,它们的质量都在8个太阳质量以上,光谱型为O型,是宇宙中那些最大、最蓝、最热的恒星,这些恒星可以把氢元素一路聚变到铁、镍、钴,反应非常的迅速,所以这种恒星的寿命都很短,一般几百万年到几千万年。

它们在死亡的时候,会发生剧烈的爆炸,中心区域会猛烈地坍缩成一颗中子星或者是黑洞,这就是我们常说的Ⅱ型超新星,或者叫核坍缩型超新星。

这种超新星爆发以后虽然很亮,但是它们没有规律,本征亮度都不一样,所以不能当作标准烛光来使用,但是白矮星就不一样了。

它们有很多共同的特点,比如说,它们都是由碳和氧组成的,它们的体积基本上和地球的差不多,但是密度是地球的几百万倍,它们之所以没有被引力压垮,完全是因为电子的简并压在努力的支撑着原子的结构,这种简并压力来自于泡利不相容原理。

说的是,在一个原子当中,不存在两个量子态相同的电子,所以说一个原子的电子它会排斥其他原子的电子进入自己的范围。

白矮星正是通过这种简并压保持稳定的,但是这种简并压也不是万能的,当一颗白矮星的质量超过了钱德拉塞卡极限,也就是1.4倍太阳质量,其核心就会发生失控的核聚变反应,进而引发Ⅰa型超新星爆炸。

那么问题是,本身就处在钱德拉塞卡极限以下的白矮星如何获得质量呢?只要通过以下两种方式:

第一种,我们知道宇宙中的双星和三星系统比较多,所以一颗白矮星常会有一颗伴星,由于白矮星的质量很大,而且半径很小,所以它的引力很强,因此白矮星就可以吸收伴星的物质,增加自己的质量。

这里又分为了两种情况,当白矮星吸积质量的速度比较慢的话,那么偷来的氢气就可以在白矮星的表面缓慢地燃烧,这时我们就会看到,在天空中出现了一颗新的恒星,等白矮星偷来的氢气烧完了,这颗新出现的恒星也就会消失,然后白矮星又开始攒氢气,又开始燃烧。这种间歇性的增亮过程,我们称之为“新星”。

那么当白矮星吸积质量的速度比较快,在短时间内,就将自己的质量吸到了1.4倍的太阳质量,那么它的核心就会因为高温、高压,再次启动碳聚变,由于白矮星比较致密,聚变生成的能量散发不出去,都堆积在核心区域,这就又会导致核心温度继续升高,温度的上升又导致核聚变更加的猛烈,进而又产生更多的热量,因此白矮星就这样失控了,然后就爆炸了,这就是Ⅰa型超新星。

第二种情况就是,当两颗白矮星相撞融合以后,也会因为质量的增加,发生爆炸,也叫Ⅰa型超新星。

可以看出Ⅰa型超新星的爆发具有完全一样的初始条件,一样的白矮星,一样的质量阈值,所以每一颗Ⅰa型超新星都有一样的光变曲线,那一样的光变曲线说的是,Ⅰa型超新星爆发以后,随着时间的推移,它亮度的增加到变暗过程都是一样的。

而且每一颗Ⅰa型超新星爆发以后,它的最大发光能力也是完全一样的,所以我们只需要在地球上测量Ⅰa型超新星的视亮度,然后再结合它的红移数值,就能知道它所在的星系和我们之间的距离了。

所以说Ⅰa型超新星可以当作标准烛光来使用,而且Ⅰa型超新星爆发所释放的能量高达10^44焦耳,这个能量比太阳一生释放的能量还要多,所以Ⅰa型超新星非常的明亮,这就意味着,它作为标准烛光的适用距离很远。

以前我们使用其他的测距办法最多能测到二三十亿光年以外,那么有了Ⅰa型超新星我们的测距范围超过了160亿光年。

所以在上世纪的90年代,就有两个独立的科学团队,“超新星宇宙学计划”团队和“高红移超新星研究”团队,他们就对宇宙的膨胀历史做了详细的探查,测量了大量的、不同时期的Ⅰa型超新星。

到了1998年的3年,“高红移超新星研究”团队就首先发表了一篇论文,他们的结论是,现在宇宙的膨胀根本没有减速,而是在加速,也就是说宇宙膨胀率没有下降,这说明我们之前的猜测完全是错误的。

到了9月份,超新星宇宙学计划团队也发表了它们的测量结果,同样的结论,星系的退行速度根本没有减缓,随着时间的推移,它们会越来越快的远离我们。

那么问题是,一个加速的宇宙意味着什么?鉴于暗能量的话题也比较大,得分几期说,所以今天的内容就到这里了,下节课我们回答这个问题。