您的浏览器版本过低,为保证更佳的浏览体验,请点击更新高版本浏览器

以后再说X
图片名

全国服务热线:13906668667

新闻中心 NEWS CENTER

南昌是什么点亮了宇宙的标准蜡烛?

分类:行业动态 发布时间:2023-02-28 15175次浏览

每年,大约有1颗Ia型超新星在天空中爆发。这些恒星爆炸变亮,然后以一种可重复的模...

年,大约有1颗Ia型超新星在天空中爆发。这些恒星爆炸变亮,然后以一种可重复的模式消失,以至于它们被用作“标准蜡烛” - 如此均匀明亮的物体,以至于天文学家可以通过它的外观推断出与其中一个的距离。



我们对宇宙的理解是基于这些标准蜡烛。考虑一下宇宙学中更大的两个谜团:宇宙的膨胀率是多少为什么这种扩张速度会加快?理解这两个问题的努力主要依赖于使用Ia型超新星进行的距离测量。



然而,研究人员并不完全了解是什么触发了这些奇怪的均匀爆炸 - 这种不确定性让理论家感到担忧。如果它们有多种可能发生的方式,那么它们出现的微小不一致可能会破坏我们的宇宙测量。



在过去的十年里,关于Ia型超新星引爆的特定故事得到了支持——这个故事将每次爆炸追溯到一对被称为白矮星的暗淡恒星。现在,研究人员成功地在双白矮星情景的计算机模拟中重现了Ia型爆炸,为该理论提供了关键的推动力。但模拟也产生了一些惊喜,揭示了我们对宇宙中一些最重要的爆炸背后的引擎还有更多的了解。



引爆



为了使物体成为标准蜡烛,天文学家必须知道其固有的亮度或光度。他们可以将其与物体在天空中的亮度(或暗淡)进行比较,以计算出其距离。



1993年,天文学家马克·菲利普斯(Mark Phillips)绘制了Ia型超新星的光度如何随时间变化。至关重要的是,几乎所有的Ia型超新星都遵循这条曲线,称为菲利普斯关系。这种一致性 - 以及这些爆炸的极端亮度,在数十亿光年之外可见 - 使它们成为天文学家拥有的最强大的标准烛光。但是它们保持一致的原因是什么?



一个提示来自不太可能的元素镍。当Ia型超新星出现在天空中时,天文学家检测到放射性镍-56泛滥。他们知道镍-56起源于白矮星 - 暗淡,破裂的恒星,只保留一个密集的,地球大小的碳和氧核心,被一层氦笼罩。然而,这些白矮星是惰性的;超新星绝不是。难题是如何从一个状态到另一个状态。“仍然没有一个清晰的'你怎么做?'”天体物理学家、加利福尼亚州圣巴巴拉卡夫利理论物理研究所所长拉尔斯·比尔斯滕(Lars Bildsten)说,他专门研究Ia型超新星。“你怎么让它爆炸?”


在Ruediger Pakmor团队的计算机模拟中,伴星白矮星有时也会爆炸。研究人员不知道这是否发生在自然界中。

由吕迪格·帕克莫提供



直到大约10年前,流行的理论认为白矮星从附近的恒星中吸取气体,直到矮星达到临界质量。然后,它的核心将变得足够热和密集,以引发失控的核反应并引爆成超新星。



然后在2011年,该理论被推翻。SN 2011fe是几十年来发现的最接近的Ia型,在爆炸的早期就被发现,以至于天文学家有机会寻找伴星。没有看到任何。



研究人员将兴趣转移到了一种新的理论上,即所谓的D6情景——一个首字母缩略词,代表绕口令“动态驱动的双简并双爆炸”,由加州大学伯克利分校的天体物理学家Ken Shen创造。D6情景提出,一颗白矮星捕获另一颗白矮星并窃取它的氦气,这一过程释放出如此多的热量,以至于它触发了矮星氦壳中的核聚变。融合的氦向矮人的核心深处发出冲击波。然后引爆。



但事实真的是这样吗?



大约4,500年前,一颗Ia型超新星在我们的银河系中爆炸,留下了这些高能碎片的残余物。图像中的红色,绿色和蓝色分别表示低,中和高能量X射线。



X射线:NASA / CXC / U.Texas / S.Post等人,红外线:2MASS/UMass / IPAC-Caltech/NASA / NSF



沈晖想到了一个办法来检查:如果有两颗白矮星互相旋转,一颗爆炸成超新星,那么就没有任何东西可以抓住另一颗了。就像突然释放的摆动套索一样,它应该像一颗“超高速”白矮星一样飞走。



如果D6理论是正确的,那么超高速白矮星应该是常见的。如果错了,应该没有。



测试这一场景的机会在2018年到来,当时欧洲航天局的盖亚太空望远镜发布了银河系中物体的大规模新普查。发布当天,沈和他的团队熬夜分析数据。他们发现了三颗快速移动的白矮星。不多,也不是没有。这令人不安。



模拟超新星



大约在这个时候,多个团队开始进行计算机模拟,以测试D6假设。



沈和他的同事在2021年发表了模拟,展示了D6爆炸的后果。放射性镍-56原子核应该分解成额外的粒子,然后这些粒子将花费数月的时间在超新星周围的区域衰变和相互作用。(我们地球上的大部分锰,镍和钴,以及很大一部分铁,可能起源于这样的反应。为了捕捉骚动,沈和他的团队简化了数学:他们假设超新星是完美的球形,然后沿着一条从中心向外辐射的直线模拟物理。



引人注目的是,这种“一维”模拟产生了正确的光度曲线。“我不可能看到这种情况的到来,”Bildsten惊叹道。“他们正在证明他们可以让一颗超新星落在菲利普斯的关系上,所以这非常令人兴奋。



然而,为了验证爆炸是否可能发生,另外两个小组正忙于开发复杂的D6三维场景超级计算机模拟。



其中一个团队最近表明,D6情景确实可以触发超新星。由德国加兴马克斯普朗克天体物理研究所的Ruediger Pakmor领导的研究人员模拟了一颗具有厚氦外层的初级白矮星。当这颗恒星从它的伴星那里吸收更多的氦时,它的外层被点燃了。爆炸在白矮星周围迅速传播,在核心深处发出冲击波,引爆碳和氧。



但帕克莫的模拟也产生了一个奇怪的结果。穿过主白矮星的冲击波有时会撞击伴星,足以触发该恒星的超新星。这发生在模拟中,当伴星的质量小于我们太阳质量的70%时,就像白矮星通常的情况一样。



如果两颗白矮星经常一起变成超新星,这可以解释为什么看到的超高速白矮星较少。但天文学家对帕克莫尔双超新星模拟的消息持谨慎态度。“我不相信它会发生,”沈说,“但这是一个非常有趣的可能性。



由罗伯特·费舍尔(Robert Fisher)领导的计算机模拟产生了懦气爆炸,而不是Ia型事件。



另一个团队由马萨诸塞大学达特茅斯分校的罗伯特·费舍尔(Robert Fisher)领导,他们使用的氦气层比帕克莫尔更薄。在他们的模拟中,他们看到氦点火在矮星周围传播得更慢,产生的冲击波会聚到相对于碳氧核心偏离中心的点。然后核心未能在Ia型超新星中引爆



两组人都对相互矛盾的结果感到困惑。Pakmor的团队尝试了像费舍尔那样更薄的氦层,但仍然发现他们的系统变成了超新星。



这些模拟的一个挑战是氦气厚度和其他条件只是猜测。另一个问题是,为了模拟恒星大小的物体,模拟将空间粗略地划分为公里大小的块。但是触发爆炸的热量聚焦发生在厘米的尺度上。科学家们就如何捕捉这些不同尺度之间的相互作用做出选择。



目前,关于Ia型超新星的起源仍在研究中。在解决差异之前,两个团队都犹豫不决,认为D6方案是所有甚至大部分问题的原因。尽管如此,最终看到一台超级计算机爆炸是向前迈出的一大步,即使看到两台爆炸是一个惊喜。