淺談Ⅰa型超新星爆發(fā)機(jī)制及其宇宙學(xué)應(yīng)用

潘瑞宇

(北京市第一六一中學(xué),北京 100031)

1 Ⅰa型超新星發(fā)展現(xiàn)狀

近年來,隨著天文學(xué)的不斷發(fā)展,Ⅰa型超新星逐漸進(jìn)入人們的視野。Ⅰa型超新星有重要的宇宙學(xué)應(yīng)用,索爾·珀?duì)栺R特和布萊恩·施密特帶領(lǐng)的兩個(gè)小組在1998年通過研究超新星爆炸時(shí)的發(fā)光度推算出這些超新星的距離,證明了宇宙在加速膨脹,并提出暗能量是宇宙加速膨脹的原因。

Ⅰa型超新星是由魯?shù)婪颉らh可夫斯基和弗里茨·茲威基設(shè)計(jì)的閔可夫斯基-茲威基超新星分類中的一個(gè)亞型。有2種方式可以形成這種類型的超新星：(1)單簡并模型：雙星系統(tǒng)中初始質(zhì)量較大的一顆先演化成為白矮星,之后通過吸積另一伴星的物質(zhì)增加質(zhì)量,當(dāng)白矮星質(zhì)量超過錢德拉塞卡質(zhì)量時(shí)發(fā)生熱核爆炸成為超新星;(2)雙簡并模型：雙星系統(tǒng)白矮星的伴星也是一顆白矮星,通過引力波輻射相互接近直至并合,超過錢德拉塞卡極限時(shí)爆炸形成超新星。

當(dāng)下,Ⅰa型超新星還有很多問題需要我們研究,這篇文章主要分析其幾種爆發(fā)模型,還有對于Ⅰa型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的修正,使Ⅰa型超新星的宇宙學(xué)應(yīng)用更為準(zhǔn)確。

2 Ⅰa型超新星爆發(fā)機(jī)制

2.1 錢德拉塞卡質(zhì)量模型

錢德拉塞卡質(zhì)量由蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡提出,是無自轉(zhuǎn)恒星以電子簡并壓力抵抗引力達(dá)到的最大質(zhì)量,這個(gè)值大約是1.4倍太陽質(zhì)量(Mch)。錢德拉塞卡質(zhì)量模型是指當(dāng)碳氧白矮星的質(zhì)量接近Mch時(shí),內(nèi)部的簡并電子壓不足以抵抗引力,白矮星開始收縮,其中心區(qū)域密度、溫度會(huì)快速升高。其中心附近的能量平衡由核心中微子損失及壓縮加熱共同決定。當(dāng)加熱的能量產(chǎn)生率高于中微子逃逸帶走的能量損失率,中心區(qū)域碳的核反應(yīng)就開始。

目前的研究表明,碳氧白矮星核心一旦點(diǎn)火,隨后的燃燒將會(huì)失控,燃燒波將以亞音速爆燃波或超音速爆轟波的形式向周圍傳播。如果核反應(yīng)可以產(chǎn)生激波,并以壓縮加熱的方式迅速點(diǎn)燃核心,這種超聲波激波稱為爆轟波,如果初始過壓不夠而無法產(chǎn)生超聲速激波,那么只能通過亞聲速波進(jìn)行能量傳遞后開始核反應(yīng)。這種過壓不足產(chǎn)生的亞聲速波稱為爆燃波。

在爆轟波和爆燃波上兩種的核反應(yīng)能量傳播方式基礎(chǔ)上,人們提出了不同的Ⅰa型超新星爆發(fā)模型,包括瞬時(shí)爆轟模型、亞聲速爆燃模型、雙爆轟模型等。盡管人們對錢德拉塞卡質(zhì)量爆發(fā)模型已經(jīng)有很多研究,但目前對其模型還沒有取得共識(shí)。

2.2 亞錢德拉塞卡質(zhì)量模型

相比于錢德拉塞卡質(zhì)量模型,亞錢德拉塞卡質(zhì)量模型最大的不同就是它用氦點(diǎn)火來產(chǎn)生激波使碳點(diǎn)火引發(fā)爆炸,即白矮星中心密度和溫度無法達(dá)到碳發(fā)生核反應(yīng)的條件,他們就需要另一種反應(yīng)來引發(fā)碳點(diǎn)火。有理論認(rèn)為吸積氦層燃燒產(chǎn)生的爆轟波能夠產(chǎn)生激波引發(fā)碳點(diǎn)火。第一次核反應(yīng)發(fā)生在碳氧白矮星表明積累的≈0.15～0.20M☉的氦包層最下方,反應(yīng)產(chǎn)生的爆轟波通過氦包層進(jìn)行傳播;而向內(nèi)的壓力波壓縮加熱白矮星核心,使得核心開始碳點(diǎn)火,從而啟動(dòng)新一輪爆轟并將激波通過碳氧層向外傳播。由于碳點(diǎn)火與氦點(diǎn)火的核反應(yīng)條件和后續(xù)反應(yīng)方式不同,兩種爆發(fā)模型有很大區(qū)別,也會(huì)得到不同的觀測性質(zhì)。

由于點(diǎn)火前的初始質(zhì)量更低,亞錢德拉塞卡質(zhì)量模型能更好預(yù)測Ⅰa型超新星的產(chǎn)生率。另外,亞錢德拉塞卡質(zhì)量模型能較好地解釋Ⅰa型超新星晚期的光譜特征。但該模型的也有很多問題需要解決,比如模型產(chǎn)生的光變曲線下降太快,和觀測難以吻合。

3 Ⅰa型超新星宇宙學(xué)應(yīng)用

3.1 標(biāo)準(zhǔn)燭光

最早使用Ⅰa型超新星來精確測量距離的研究是托洛洛超新星巡天90年代一系列的論文表明,雖然Ⅰa超新星在光極大時(shí)亮度并不完全相同,但通過測量光變曲線的一個(gè)參數(shù),可以對Ⅰa型超新星的光度進(jìn)行修正。幾乎所有的Ⅰa型超新星爆發(fā)的絕對光度都有相似的輪廓,使它們被作為星系天文學(xué)輔助的標(biāo)準(zhǔn)燭光,測量遙遠(yuǎn)星系的距離。在1998年,通過觀測宇宙學(xué)尺度距離的Ⅰa型超新星,人們發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。

3.2 高亮度Ⅰa型超新星

Ia-91T型超新星是一種光度較高的Ⅰa型超新星,而且光變曲線演化較慢,這可能反映了其核反應(yīng)程度與正常Ⅰa型超新星不同。在光極大前后91T型光譜與普通Ia型超新星不同,爆炸兩個(gè)月后,其光譜與正常Ⅰa型超新星的光譜較難區(qū)分。除了91T型之外,前身星爆發(fā)質(zhì)量超過錢德拉塞卡質(zhì)量的超新星也能產(chǎn)生較高光度。相對于91 T型超新星,超錢德拉塞卡超新星在光極大時(shí)期的光球溫度更高,光譜顏色更藍(lán), 但光極大50天后顏色比91T更紅。91T型超新星的鐵特征譜線很強(qiáng),硅、鈣等中等質(zhì)量元素吸收線很弱,超錢德拉塞卡超新星則有相反的光譜特征。

3.3 低光度Ⅰa型超新星

I a-91 b g型超新星是一種光度較低的Ⅰa型超新星。91bg型超新星光變曲線演化很快,并且更多分布在年齡較大的橢圓星系中。而正常Ia型超新星在各種星系都能發(fā)生,這說明兩者爆發(fā)機(jī)制或者前身星性質(zhì)不同。

最近還觀測到了一種Ⅰa x型超新星,其光度比普通Ⅰa型超新星低很多。與通常的Ⅰa型超新星最終摧毀了整個(gè)白矮星不同,Ⅰa x型超新星爆發(fā)后仍會(huì)留下一個(gè)不完整的白矮星,天文學(xué)家稱其為“僵尸星”。

4 結(jié)語

Ⅰa型超新星爆發(fā)機(jī)制的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展。爆轟模型、亞聲速爆燃模型等錢德拉塞卡質(zhì)量模型的研究解釋了很多觀測現(xiàn)象。而亞錢德拉塞卡質(zhì)量模型更好的解釋了Ⅰa型超新星晚期的光譜特征。但不兩種模型都不完善,不能解釋所有觀測結(jié)果。

在宇宙學(xué)研究方面,標(biāo)準(zhǔn)燭光是Ⅰa型超新星最獨(dú)特的性質(zhì),但高亮度和低亮度I a型超新星對其宇宙學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。未來需要進(jìn)一步研究超新星的本證物理性質(zhì),從而減少利用超新星進(jìn)行宇宙學(xué)研究產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

[1] 李宗偉,王曉峰.超新星研究進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展,2010,30(3)：247-279.

[2] 張凱程,王曉峰.宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”：Ⅰa型超新星[J].科學(xué)通報(bào),2015,60(1)：2-15.

[3] 蔡榮根,詹虎.暗能量：觀測證據(jù)和理論研究[J].物理,2011,40(1)：18-22.