浅谈Ⅰa型超新星爆发机制及其宇宙学应用

潘瑞宇

(北京市第一六一中学,北京 100031)

1 Ⅰa型超新星发展现状

近年来,随着天文学的不断发展,Ⅰa型超新星逐渐进入人们的视野。Ⅰa型超新星有重要的宇宙学应用,索尔·珀尔马特和布莱恩·施密特带领的两个小组在1998年通过研究超新星爆炸时的发光度推算出这些超新星的距离,证明了宇宙在加速膨胀,并提出暗能量是宇宙加速膨胀的原因。

Ⅰa型超新星是由鲁道夫·闵可夫斯基和弗里茨·兹威基设计的闵可夫斯基-兹威基超新星分类中的一个亚型。有2种方式可以形成这种类型的超新星：(1)单简并模型：双星系统中初始质量较大的一颗先演化成为白矮星,之后通过吸积另一伴星的物质增加质量,当白矮星质量超过钱德拉塞卡质量时发生热核爆炸成为超新星;(2)双简并模型：双星系统白矮星的伴星也是一颗白矮星,通过引力波辐射相互接近直至并合,超过钱德拉塞卡极限时爆炸形成超新星。

当下,Ⅰa型超新星还有很多问题需要我们研究,这篇文章主要分析其几种爆发模型,还有对于Ⅰa型超新星作为标准烛光的修正,使Ⅰa型超新星的宇宙学应用更为准确。

2 Ⅰa型超新星爆发机制

2.1 钱德拉塞卡质量模型

钱德拉塞卡质量由苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡提出,是无自转恒星以电子简并压力抵抗引力达到的最大质量,这个值大约是1.4倍太阳质量(Mch)。钱德拉塞卡质量模型是指当碳氧白矮星的质量接近Mch时,内部的简并电子压不足以抵抗引力,白矮星开始收缩,其中心区域密度、温度会快速升高。其中心附近的能量平衡由核心中微子损失及压缩加热共同决定。当加热的能量产生率高于中微子逃逸带走的能量损失率,中心区域碳的核反应就开始。

目前的研究表明,碳氧白矮星核心一旦点火,随后的燃烧将会失控,燃烧波将以亚音速爆燃波或超音速爆轰波的形式向周围传播。如果核反应可以产生激波,并以压缩加热的方式迅速点燃核心,这种超声波激波称为爆轰波,如果初始过压不够而无法产生超声速激波,那么只能通过亚声速波进行能量传递后开始核反应。这种过压不足产生的亚声速波称为爆燃波。

在爆轰波和爆燃波上两种的核反应能量传播方式基础上,人们提出了不同的Ⅰa型超新星爆发模型,包括瞬时爆轰模型、亚声速爆燃模型、双爆轰模型等。尽管人们对钱德拉塞卡质量爆发模型已经有很多研究,但目前对其模型还没有取得共识。

2.2 亚钱德拉塞卡质量模型

相比于钱德拉塞卡质量模型,亚钱德拉塞卡质量模型最大的不同就是它用氦点火来产生激波使碳点火引发爆炸,即白矮星中心密度和温度无法达到碳发生核反应的条件,他们就需要另一种反应来引发碳点火。有理论认为吸积氦层燃烧产生的爆轰波能够产生激波引发碳点火。第一次核反应发生在碳氧白矮星表明积累的≈0.15～0.20M☉的氦包层最下方,反应产生的爆轰波通过氦包层进行传播;而向内的压力波压缩加热白矮星核心,使得核心开始碳点火,从而启动新一轮爆轰并将激波通过碳氧层向外传播。由于碳点火与氦点火的核反应条件和后续反应方式不同,两种爆发模型有很大区别,也会得到不同的观测性质。

由于点火前的初始质量更低,亚钱德拉塞卡质量模型能更好预测Ⅰa型超新星的产生率。另外,亚钱德拉塞卡质量模型能较好地解释Ⅰa型超新星晚期的光谱特征。但该模型的也有很多问题需要解决,比如模型产生的光变曲线下降太快,和观测难以吻合。

3 Ⅰa型超新星宇宙学应用

3.1 标准烛光

最早使用Ⅰa型超新星来精确测量距离的研究是托洛洛超新星巡天90年代一系列的论文表明,虽然Ⅰa超新星在光极大时亮度并不完全相同,但通过测量光变曲线的一个参数,可以对Ⅰa型超新星的光度进行修正。几乎所有的Ⅰa型超新星爆发的绝对光度都有相似的轮廓,使它们被作为星系天文学辅助的标准烛光,测量遥远星系的距离。在1998年,通过观测宇宙学尺度距离的Ⅰa型超新星,人们发现宇宙在加速膨胀。

3.2 高亮度Ⅰa型超新星

Ia-91T型超新星是一种光度较高的Ⅰa型超新星,而且光变曲线演化较慢,这可能反映了其核反应程度与正常Ⅰa型超新星不同。在光极大前后91T型光谱与普通Ia型超新星不同,爆炸两个月后,其光谱与正常Ⅰa型超新星的光谱较难区分。除了91T型之外,前身星爆发质量超过钱德拉塞卡质量的超新星也能产生较高光度。相对于91 T型超新星,超钱德拉塞卡超新星在光极大时期的光球温度更高,光谱颜色更蓝, 但光极大50天后颜色比91T更红。91T型超新星的铁特征谱线很强,硅、钙等中等质量元素吸收线很弱,超钱德拉塞卡超新星则有相反的光谱特征。

3.3 低光度Ⅰa型超新星

I a-91 b g型超新星是一种光度较低的Ⅰa型超新星。91bg型超新星光变曲线演化很快,并且更多分布在年龄较大的椭圆星系中。而正常Ia型超新星在各种星系都能发生,这说明两者爆发机制或者前身星性质不同。

最近还观测到了一种Ⅰa x型超新星,其光度比普通Ⅰa型超新星低很多。与通常的Ⅰa型超新星最终摧毁了整个白矮星不同,Ⅰa x型超新星爆发后仍会留下一个不完整的白矮星,天文学家称其为“僵尸星”。

4 结语

Ⅰa型超新星爆发机制的研究已经有了很大进展。爆轰模型、亚声速爆燃模型等钱德拉塞卡质量模型的研究解释了很多观测现象。而亚钱德拉塞卡质量模型更好的解释了Ⅰa型超新星晚期的光谱特征。但不两种模型都不完善,不能解释所有观测结果。

在宇宙学研究方面,标准烛光是Ⅰa型超新星最独特的性质,但高亮度和低亮度I a型超新星对其宇宙学应用产生了挑战。未来需要进一步研究超新星的本证物理性质,从而减少利用超新星进行宇宙学研究产生的系统误差。

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