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盘的解体
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Robert Irion 文 Shea 译 |
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爆炸的白矮星是宇宙的重要量尺，但是气体是怎样掉到它们表面引发爆炸的呢？ 绝大多数白矮星都很沉静，悄无声息的退出宇宙舞台。白矮星作为类太阳恒星演化的产物通常会需要几十亿年的时间来冷却，最终变成一颗黑矮星。但是其中一些白矮星不甘心就这样寂静的淡出。借助从其他恒星那里偷来的物质，它们会像一颗行星大小的氢弹一样爆炸，其光芒可以盖过整个星系。 这些爆发被称为Ia型超新星，因为在1998年被天文学家用来作为标准烛光发现宇宙在加速膨胀而名噪一时。最新的研究也确认了这一惊人的结果。今天，超新星处在描述驱动宇宙加速膨胀的“暗能量”的核心。 然而还有许多困难困扰着对Ia型超新星的研究。天文学家还不知道白矮星是怎样获得足够的物质以此滑向生命的终点的。最流行的解释是，白矮星通过缓慢地剥离其邻近伴星的气体而达到终点；被窃取的气体会形成吸积盘，它最终将会触发白矮星的死亡。另一种观点是两颗白矮星之间的碰撞，但理论家对此表现出了强烈的不认同。 尽管天文学家计划寻找更多的Ia型超新星并且增加它们在宇宙学测量中的使用，但这些问题依然悬而未决。“如果你不了解Ia型超新星，你会安心地用它们来研究宇宙的演化吗？”奥科拉荷马大学的天体物理学家大卫·布兰其（David Branch）说，“如果我们对使用的工具有更深一步的认识，这会让每个人都会好受一些。” 灰飞烟灭 普通的低质量恒星当其核心的核燃料耗尽之后，就会形成白矮星。其核心的气体会坍缩成一个地球大小的球体，直到电子简并阻止其进一步的坍缩。但是如果贪婪的白矮星通过其他一些手段获得了更多的物质达到了1.44个太阳质量的钱德拉塞卡极限，那么它平静的淡出就此结束。 至少科学家们会拭目以待看看下面会发生什么。“每个人都同意Ia型超新星是物质吸积白矮星的热核爆炸，”空间望远镜研究所（STScI）的天文学家马里奥·利维奥（Mario Livio）说。接近临界质量时，逐渐增大的压力会引发核心处的链式反应。新的核聚变反应会在几秒钟内将整个白矮星炸碎，利维奥说：“整个星体都会被炸成碎片，所有的一切都会荡然无存。” 被炸出的碎片是唯一可见的线索。望远镜可以探测到重元素铁、镍、硅、钙和镁的谱线。这一图像——尤其是促使超新星发光的大量放射性镍——与天体物理学家对碳、氧白矮星爆燃的预言相吻合。 第一个困扰天文学家的问题是这些改变白矮星命运的物质从何而来。最好的来源是一颗膨胀的恒星恰好与白矮星一起组成双星。当这颗恒星内部开始耗尽核燃料时，就会烧得更旺并且抛出它的气体包层。如果白矮星的轨道足够近，它就可以偷走这些缺少束缚的气体。引力会将气体拉入吸积盘，其中的物质会掉到白矮星表面上，借此白矮星将燃起新的生命之火。  但是物质传送必须以适当的速率进行，即大约每年一千万分之一个太阳质量或者1/30个地球质量。理论预言，对于或高或低的速率，不是会引发白矮星表面的热核闪，就是由于强劲的星风会吹散来自吸积盘的物质。这一要求看上去极为苛刻，但是天文学家认为它们在吸积双星系统中看到的白矮星都处于合适的吸积率上。“这似乎足以解释银河系中每1000年出现3个Ia型超新星的统计结果，”利维奥说。 余波中的热度 最近的研究支持了这一观点。天文学家发现了为银河系中最近一次Ia型超新星爆发提供物质的恒星。这一超新星出现在1572年，被称为第谷·布拉赫（Tycho Brache）超新星。由巴塞罗那大学皮拉·瑞兹-拉普特（Pilar Ruiz-Lapuente）领导的一个小组发现，一颗恒星正以超出附近恒星3倍的速度穿过超新星遗迹——就好像它刚从高速的双星轨道中被释放出来一样。在10月28日出版的《自然》杂志上，这个小组报告这颗恒星看上去就像是年老的太阳并且伴有“肿胀”，似乎经历了一次爆炸。 另一个研究通过不同的方法得到了类似的结果。STScI的天文学家路易斯-格利高里·斯特隆格（Louis-Gregory Strolger）及其同事检查了距离在24亿光年到95亿光年之间的42个Ia型超新星。这个小组比较了宇宙不同时期超新星爆发的数量与恒星形成的时间。在9月20日出版的《天体物理学报》上，他们得出结论从新的恒星系统到出现Ia型超新星平均要花40亿年时间。斯特隆格说，这差不多就是双星中一颗伴星演化到晚期膨胀并且开始损失质量的时间。 但是另一个完全不同的观点长久以来也一直存在。一些天文学家认为Ia型超新星源于两颗白矮星的并合。这一观点的拥护者伊利诺斯大学的艾科·伊本（Icko Iben）长期以来相信超新星的差异是不同质量白矮星并合的自然结果。另外，伊本相信，双星系统中两颗白矮星并合是椭圆星系中出现Ia型超新星的最好解释，因为椭圆星系中已经有几十亿年没有新的恒星形成了。 伊本认为，其他模型最要命的一点是氢的缺失。他说，向白矮星提供物质的恒星应该会使周围的环境受到氢的污染。然而天文学家仅仅在2002年出现的一个Ia型超新星中发现了氢存在的证据。在其余的爆发中都没有发现氢，因此不含氢的白矮星的并合可以从逻辑上来解释这一现象。伊本说：“对于我来说，这是强有力的证据。” 长久以来，天文学家由于银河系中没有发现并合候选体而不相信这个解释。但是最近欧洲南方天文台甚大望远镜的巡天改变了这一切。领导此次巡天的莱切斯特大学的拉尔夫·纳皮沃兹基（Ralf Napiwotzki）说，我们发现了超过1000颗的白矮星，并且还发现了一对大质量白矮星双星，预计它们会在20亿年内并合。 有一个小组对此表示怀疑。东京大学的天体物理学家野本健一郎（Ken'ichi Nomoto）和东北大学的柴尾秀行（Hideyuki Saio）的计算表明，并合白矮星中质量较小的一个会被瓦解，并且形成一个围绕质量较大白矮星的厚吸积盘。野本健一郎说，当其中的物质流到白矮星上时，碳受到加热就会聚变成氧、镁和氖。一旦成份发生变化，聚变闪就不会再出现，白矮星就会“平静”地坍缩成中子星。但是其他人认为两颗白矮星的同步转动会引发不同的吸积模式，触发整体性的爆炸。 获得匹配？ 你可能认为解释单颗白矮星的爆炸是一件容易的事情。但是现实远比想象的复杂。芝加哥大学的天体物理学家阿莱克杉·科洛夫（Alexei Khokhlov）说，理论家已经对核物理有了相当的认识。“但是我们并不知道爆发的初始条件，而且数值模拟也非常的困难，”他说。 理论家一致认为，当吸积的物质使得内部压力增大引发碳原子和氧原子间的快速聚变时，爆炸应该从白矮星的核心或者核心附近开始。但是即使这第一步也十分复杂。“在这些精细的模型中最关键的问题是爆炸是如何被启动的，”马普天体物理研究所的天体物理学家沃尔夫冈·希尔布兰特（Wolfgang Hillebrandt）说。 希尔布兰特的同事弗雷德里希·罗普克（Friedrich Ropke）认为“泡沫结构实现了中央点火。在点火之前会出现强对流，因此它会在中央附近几个区域点火。”由于对流，这一爆燃会以亚音速不规则地在星体内部传播，留下一些未曾燃烧的碳氧团块。  [图片说明]：突然死亡。按照数值模拟，爆燃产生的不规则波会在2秒钟炸碎白矮星。 从这里开始，理论家出现了分歧。德国的小组认为爆燃即可解释整个超新星爆发。但是其他人指出这一爆发所产生的碎片会含有过多的未燃烧的轻元素而且由内而外过分的“均匀”。奥科拉荷马大学的布兰其说，从真实的Ia型超新星的光谱来看，它很可能是分层的爆炸。 为了更好地与观测相符，另一个小组采用了“延迟爆发”的概念。白矮星的某些部分先开始燃烧，之后由于超音速激波而整个爆炸。在1/10秒的时间里激波会在白矮星的其他部分中制造出重元素。确实，如果说爆燃就像是大风驱动着大火在树木间不断扩散的话，那么爆发就像是炸弹可以让正片森林化为灰烬。问题是没有人知道怎样让这颗炸弹爆炸。罗普克说：“没有已知的物理机制可以使得爆燃转变成超音速激波。” 一个可能的解决方案震惊了这个领域。芝加哥大学的托马斯·普雷瓦（Tomasz Plewa）模拟了由白矮星核心升起的水母状超音速泡所引发的爆炸。当这些泡冲破白矮星表面时，它所释放出的波由于引力的束缚会传遍整个星体，并且最终会在远端碰撞。非常剧烈的碰撞会导致整个星体的非对称爆炸。在9月1日出版的《天体物理学通信》上有关的文章指出，没有人确切知道用什么可以解释这些奇特的事件。 观测天文学家目睹了这些夹杂着预想和挫折的努力。“我们需要一个从理论到了解Ia型超新星间差异的桥梁，而且我无法肯定目前的理论是否可以胜任，”STScI的天文学家亚当·瑞斯（Adam Riess）说。在最近的一次讲话中，瑞斯指出，通过调节模型参数他可以列举出15中爆发。“对于制造超新星而言，这是一个庞大的数字，”他说，“我对此有一点失望。” 坦白地说，科洛夫讲：“我们大有希望通过一个很窄的演化瓶颈来了解爆发机制”，但是可能需要借助一些独特的方法。不久许多想法也就能变成现实，因为如果没有它们，那么当天文学家声称了解了整个宇宙的历史和将来时会显得苍白无力。 |
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出自：Science
发布日期：2005-01-07
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2001-2009 火流星工作组制作
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