02.27 白矮星“诈”

白矮星已经是太阳这类恒星死亡后的尸骨了,可宇宙中的这些尸骨为什么还要爆炸?

白矮星“诈”

一种超新星的魅力

宇宙中有一种超新星,它们数量比较多,可以说遍布宇宙中,但它们爆炸时发出的光强度都差不多。如果它们距离地球同样远,那么它们爆炸发出的光,在地球看来,是一样的亮。但是如果它们各自距离地球不同,那么越近的,肯定看上去越亮。它们就像宇宙中的标准烛光或里程碑,标志着宇宙空间与地球之间长短不同的距离。因为它们的亮度与其距离有密切关系,要想判断它们距离地球有多远,观测一下它们的亮度就可以了。

因此,这种超新星在天文观测上真的承担起了里程计量的作用,天文学家要想知道一个星系距离地球有多远,只要测量一下这个星系内的这种超新星有多亮就可以了。这就是著名的标准烛光Ia型超新星。

小贴士:超新星种类

元素都会对应光谱中的特定线条,按照光谱中有没有氢的线条,超新星被分为I型和II型,II型有氢线,I型没有。再按照光谱中有没有硅、氦的线条,I型又被分为Ia、Ib和Ic型。Ia型超新星有明显的硅线,没有氦线,Ib型有明显的氦线,没有明显的硅线,而Ic型则硅线和氦线都不明显。

但是Ia型超新星为什么会具有同样的亮度呢?同样的亮度意味着同样多的物质发生爆炸,释放能量,不同的星体,大小和质量往往不同,怎么会凑巧都是同样多的物质发生爆炸呢?如果有两颗超新星碰巧亮度一样还可以理解,成千上万颗这种超新星却能具有同样的亮度,这就太令人纳闷了。

进一步的分析,Ia型超新星发出的光中,能测出,大量的光是比较重的元素发出的,例如碳、氧、钙、镍等元素发出的。而如果是大个恒星死亡时的超新星爆发,发出的光,大多数还是来自氢、氦等元素。由此,可以推测,Ia型超新星好像是一颗抛弃了轻元素,以重元素为主的星体。再进一步的观测,科学家终于发现了,这种超新星爆发原来是白矮星爆炸了!

白矮星怎么会爆炸

随之,另一个更令人困惑的问题来了,白矮星又为什么会爆炸呢?白矮星不是中小恒星的尸骨吗?既然已经是尸骨,就说明星体死亡了,几乎没有多少能量释放了,那怎么还会爆炸呢?

白矮星的来历是这样的:类似太阳或比太阳稍大的恒星老年的时候会变成一颗红巨星,当红巨星的外壳散去后,剩下的核心物质会塌缩成一颗密度很大的白矮星,白矮星通常都由碳和氧组成。一颗质量与太阳相当的白矮星,体积也就只有地球那么大。我们的太阳最终的归宿就是变成白矮星,之后,它可能就不会有什么变化了,除非与别的星球发生了什么“过节”,例如发生了碰撞。

如果宇宙中质量与太阳差不多的所有恒星都是“单亲家庭”——一颗恒星带领着多颗行星组成一个小星系。那么它们最终的命运也都是变成白矮星,就不再有什么变化了。确实是这样的。

但是宇宙中,像太阳系这样的“单亲家庭”毕竟是少数,宇宙中大部分恒星都是两个或多个组成的家庭,因此宇宙中的双星系统算是多数。恒星一旦组成双星,就相互之间有了“照应”,如果其中一颗要死了,它的伴侣还想让它活下去,那么将死的恒星身体——白矮星还会在死亡线上挣扎百万年,最后以辉煌的爆发完全结束自己的一生。

白矮星接受伴侣营养

白矮星的伴侣如何让它活下去呢?情况是这样的。

两颗恒星组成的家庭,往往一颗恒星较大,一颗恒星较小,较大的恒星老得快,先进入垂暮之年。如果大个的恒星是类似太阳这么大的恒星的话,那么它会通过红巨星膨胀,外壳散去,变成一颗白矮星。之后,它由于损失了一部分质量和旋转的能量,它与它的伴侣靠得会更近了。更强的引力会把来自伴侣的物质吸引过来,而且随着伴侣的衰老和膨胀,又会给它抛来更多物质。就这样,白矮星吸收的营养物质越来越多,自己的体重也在不断增加,当快达到1.4倍太阳质量的时候,白矮星也会被自己的体重压垮,在引力下发生塌缩,塌缩导致的高温会点燃碳、氧等元素继续发生核反应,变成重元素,释放出的能量在几秒内就可以让其内部温度上升到数十亿度!

这么大的能量导致白矮星迅速爆炸,物质被以上万千米每秒的速度抛射出去,它的伴侣也因它这一顿爆发,被抛得远远的。它爆炸发出的光,亮度超过了太阳的50亿倍!

在这里,1.38倍的太阳质量是死亡星体的质量极限,几乎所有的死亡星体,由于没有核反应释放的能量来抵消自身的引力,其质量一旦超过这个极限,就会发生塌缩,引发高温,从而点燃进一步的核反应。这也许就是Ia型超新星为什么亮度相同的原因了,因为所有爆炸的白矮星,质量必须都要达到1.38倍太阳质量,而一旦达到这个极限,白矮星很快就爆炸了,不会出现更大的质量。所以,所有的白矮星超新星爆发,其质量几乎都是1.38倍太阳质量,当然其参与反应的物质也就相同了,释放的能量和亮度也就比较一致了。这一切过程塑造了Ia型超新星这宇宙的标准烛光。

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997


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