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当被称为Ia型超新星的恒星灾变在宇宙深处爆发时,它们的亮度和一致性使天文学家能够将它们用作所谓的标准烛光来测量宇宙距离。就在十多年前,两个团队利用超新星证明宇宙正在加速膨胀,这是由于暗能量的影响,这一令人震惊的发现将Ia型超新星推到了天体物理学的前沿。但是,这些宇宙里程碑究竟是如何产生的呢?
Ia型超新星源于被称为白矮星的超高密度恒星遗骸的爆炸,但白矮星究竟是如何在热核爆炸中被点燃的,这一点尚不清楚。传统观点认为,白矮星与另一颗恒星形成双星系统,从其伴星吸取物质,体积不断增大,直到无法支撑自身重量。一旦白矮星达到钱德拉塞卡极限,约为太阳质量的1.4倍,它就会收缩并在剧烈爆炸中爆发。
但是,一项新的研究提出了证据,表明至少对于一种星系而言,双星吸积模型不应是观测到的Ia型超新星数量的主要贡献者。Marat Gilfanov,德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所 (M.P.A.) 和莫斯科空间研究所的天体物理学家,与M.P.A. 研究生Ákos Bogdán一起研究了椭圆星系,寻找在吸积过程中预期产生的X射线。在2月18日出版的《自然》杂志上发表的一项研究中,Gilfanov和Bogdán报告说,他们发现的X射线仅占白矮星从邻近恒星吸积物质时预期产生X射线的一小部分。(《大众科学》是《自然》出版集团的一部分。)研究作者写道,通往Ia型超新星的标准路径应该产生观测到的X射线的30到50倍,这表明吸积白矮星仅占爆炸事件的不到5%。
Gilfanov说,当白矮星在数百万年的时间里从双星伴星中吸取富含氢的物质时,它的表面会经历稳定的核聚变过程,释放出大量的辐射。这种辐射应该可以在X射线波段检测到,尽管星际气体和尘埃会吸收一部分。这就是为什么研究人员专注于椭圆星系的原因,因为椭圆星系比螺旋星系和不规则星系具有更少的遮蔽物质。Gilfanov说,他们现在正在研究表征其他星系类型(例如我们银河系的螺旋星系表亲)中的Ia型超新星前身。
Andrew Howell,加利福尼亚州圣巴巴拉市拉斯昆布雷斯天文台全球望远镜网络的 staff scientist,表示Ia型超新星的替代起源越来越引人注目。Howell说:“多年来,越来越多的证据表明,经典范例,即单简并情景,不足以解释我们看到的所有Ia型超新星。”目前最受青睐的替代方案是所谓的双简并情景,其中两个白矮星锁定在一个双星系统中,螺旋向内并合并,从而引发爆炸。这种爆炸比单颗爆炸的白矮星有更多的燃料可以燃烧,可能解释了某些明亮的超新星,这些超新星似乎是由质量高于钱德拉塞卡质量的物体提供能量的。
Howell说,这些合并不太受欢迎,因为在三维计算机模型中很难使它们起作用,尽管最近的工作已经带来了希望。他说:“大自然告诉我们这些合并正在发生,但我们还不够聪明,无法弄清楚这是如何发生的。”
使用Ia型超新星进行宇宙距离测量并不十分依赖于了解它们的爆炸机制,因此这项新研究不会取代暗能量作为宇宙中被广泛接受的组成部分。但是Howell指出,随着天文学家观察到更远的宇宙,以及更久远的时间,超新星亮度的混合会发生变化。了解爆炸的前身星可能有助于揭示它们在宇宙时间中的演化。
Gilfanov说,解决Ia型超新星的潜在天体物理学问题将有助于使标准烛光测量更加精确。他说:“如果我们想将宇宙学参数的测量不确定性从10%降低到1%”,天文学家需要更好地理解白矮星为什么会以超新星的形式爆炸。Gilfanov说:“暗能量不会消失,标准烛光的概念也不会消失。它只是让我们更好地理解并拥有一套更好的工具。”