VIII：天体测距｜Ia型超新星

引言：我们已经知道，利用三角时差法可以丈量的距离大约有3万光年，而通过造父变星则可以拓展到大约1亿光年，那么更远距离的丈量呢？

知识点 I ：什么是Ia型超新星？

        超新星专业分类是根据超新星爆炸的光谱来分类，要判断是否含有H、He、O、Si、Ca、Fe等元素，以及亮度随时间的变化曲线。大致来讲，几乎没有氢原子谱线的归为I型，有较强氢线的则归为II型。I型可以细分为Ia型、Ib型、Ic型，II型则可II-P型、II-L型、IIn型、IIb型等。

        Ia型超新星的前身是白矮星，而且有着一颗距离很近的红巨星作为伴星的白矮星。这种双星叫做密近双星。近到白矮星可以把红巨星外层的物质给吸过来，卷到自己身上，看上去就像是蚂蚁吞大象的场景。这个过程叫吸积。但是这个过程不会一直持续下去，一旦白矮星质量超过“钱德拉塞卡极限”，就会发生Ia型超新星爆发，白矮星将继续坍缩成中子星。1931年3月，美国印度裔天文学家钱德拉塞卡计算出白矮星的质量上限，约为太阳质量的1.44倍。

知识点 II ：白矮星的形成

        在恒星演化的各个阶段，组成恒星的物质都处于等离子态，原本中性的分子和原子被离解为电子以及带正电的离子。处于稳定状态的主序星主要靠核聚变反应产生的压力与引力长期保持平衡。但是，恒星到了晚年，由于燃料消耗殆尽，平衡打破。Ia型超新星前身是白矮星，白矮星的前身是3倍太阳质量以下的恒星。这类恒星到了晚年，会膨胀成为红巨星，星体热核反应已经停止，内部不产生能量。失去了压力，内核就会收缩，收缩又会产生新的热量，外层受到辐射出来的热量继续向外膨胀，也让外层残余的氢继续烧完；同时，收缩产生的热量又把氦点燃，留下了碳和氧。当氦也烧完后，由于其本身质量不够大，外层膨胀出去的物质也拉不回来了，形成行星状星云，而内核也不会再进一步燃烧，留下碳氧炉渣。失去压力的对抗后，自引力占据绝对上风，星体又一次收缩，而这一次，物质会向内剧烈压缩，直到电子运动状态全部占满。这时候，就不得不考虑量子效应了，电子的简并压力将开始发挥作用，它会大到可以和引力抗衡的程度，星体重新达到平衡状态，白矮星诞生了。

“哈勃”拍摄的螺旋星云（Helix Nebula）（来源：NASA）

知识点 III ：电子简并压力

        原子中所有围绕原子核运动的电子不允许有相同的运动状态，这就是泡利不相容原理。电子运动状态是量子化的，如果在某一空间范围内，已经有足够数量的电子占据了所有可允许的状态，那么再有哪怕一个电子想要占据任何已有状态都是不可能的。由于白矮星密度很大，在引力作用下电子已经被大幅度地往里挤压，很容易就把低能态全部占满，更多电子只能被往外“推”到高能态去，这种“向外排斥”的力叫做电子的简并压力。白矮星是自引力与电子简并压力达到平衡的恒星。

        在密度相对来说还不是特别高的情况下，电子速度比光速小很多，称为非相对论简并电子气。这种情况下，白矮星将红巨星物质吸积过来的时候，自身质量略有增加，引力也随之增加，半径还会减小，密度略有上升，压缩导致电子简并压力也有所上升，还能继续对抗引力。但是当密度更高时，会有更多电子被推到更高的能级上，令其速度接近光速成为所谓的相对论性电子。质量的增加会让星体半径继续收缩，但不同的是，简并压力的提升速率却减慢了，即增加的质量所导致的引力增加的幅度超过体积减小所产生的简并压力增加的幅度。渐渐地，简并压力在与引力的对抗中处于下风，一旦白矮星达到1.44倍太阳质量，它的质量与半径关系就消失了，无法继续通过半径的自动调节达到平衡，引力占据绝对上风，星体会在几秒钟内崩塌，电子越过泡利不相容原理的屏障，冲入原子核，与质子结合成为中子。

知识点IV：为什么Ia型超新星可以用来测距？

        既然所有白矮星的质量上限都是1.44倍太阳质量，那么超新星爆发产生的能量、光度、绝对星等也都是一定的，最亮时大约是-19.5等，比太阳亮将近50亿倍，与星系核心亮度差不多。因此我们只要测到它的目视星等，根据关系 M=m+5-5lgD，距离就能被计算出来了。如果远方的某个星系中爆发出一颗Ia型超新星，理论上讲，只要我们看得到那个星系，就应该能看到发生在那里的超新星。Ia型超新星几乎存在于任何类型的星系中，因此这把“尺子”特别好用。通常利用Ia型超新星可以测量大约100亿光年范围内星系的距离。天文学家还利用Ia型超新星的这种特性，发现了现在的宇宙不仅在膨胀，而且是加速膨胀！

距离地球6.75亿光年的Ia型超新星超新星 PTF11kx（来源：B.J. Fulton,LCOGT）