宇宙26︱什么是新星、Ⅰa型超新星和Ⅱ型超新星？

宇宙这个话题已经讲到了26期，那么在前面的文章中我们已经说完了宇宙的过去，从宇宙暴胀、到大爆炸、再到中性原子形成，以及星系、星系团、大尺度结构的形成。

那么在考虑了宇宙的过去以后，我们肯定就要思考宇宙的未来了，也就是说，一个膨胀的宇宙会给人类带来怎样的结局？

从1929年哈勃发现宇宙在膨胀以来，到1998年的70年间，我们一直认为，如果宇宙中的能量形式就是我们常见的普通物质、辐射、暗物质和中微子的话，那我们的宇宙从诞生以后到今天，乃至未来一直都会经历减速的过程。

如果没有啥特殊原因的话，我们宇宙会有以下三种结局：

第一种，大坍缩！这是大爆炸的一个逆向过程，说的是，宇宙从一个初始膨胀率开始，一直在经历着不断变大的过程，但是其中的物质和辐射所产生的引力一直在对抗着宇宙的膨胀。

如果物质和辐射的能量密度足够大的话，它们所产生的引力会将宇宙的膨胀率降为0，然后变为负数，也就是说，引力不仅会让星系的退行速度持续减慢，而且还会逆转膨胀，整个宇宙会进入一个收缩的阶段。

第二种，大冻结，跟上面的情况正好相反，物质和辐射的能量密度虽然可以一直降低宇宙的膨胀率，但是它不能让膨胀率降为0，更不能使其变为负数，而会使得膨胀率无限的下降到一个不为0的正数，这样的宇宙会一直变大，星系距离我们会越来越远，空间会越来越冷，所以叫大冻结。

第三种，临界宇宙，这种情况的宇宙正好处在了以上两种情况的中间态，说的是，宇宙初始膨胀率和物质、辐射的能量密度完美平衡，引力会让宇宙膨胀率无限的降低为0，这样的宇宙既不会坍缩，也不会无限的变大，而是会无限的趋近于一个最大的值。

需要注意的是，宇宙膨胀率说的是单位距离上的速度，比如，每百万秒差距每秒72千米，意思就是每隔326万光年，星系的退行速度会增加每秒72千米。

在以上的三种情况中，宇宙膨胀率一直都在下降，第一种降到了负数，第二种无限的下降到了一个不为零，但是一个很小的正数，第三种就无限的下降到了0。

虽然宇宙膨胀率一直在下降，但是除了第一种情况以外，其他的两种情况，只要是膨胀率不变为负数，星系都在远离我们，只是远离我们速度在不断的下降。这个需要搞清楚，并不是说膨胀率下降了，星系就要靠近我们。

好，我们接着说，那宇宙的未来具体是哪种情况，我们就需要对宇宙的膨胀历史做出探查，看一下宇宙从诞生以后的膨胀率是不是一直在下降，下降的规模是多少，因此我们就能推断出以上三种情况，哪种更符合我们的真实宇宙。

要想了解宇宙的膨胀历史，就需要对不同时期的星系的距离以及红移进行测量，那哈勃当年用的造父变星肯定就不管用了，因为造父变星的适用距离非常有限，只有数百万光年。

不过在这之后人们还是找到了很多测量距离的办法，在前面的文章我也提到过，其中最著名，适用距离最远的测距办法就是Ⅰa型超新星。

再说Ⅰa型超新星之前，我们先说白矮星是怎么来的？因为Ⅰa型超新星的爆发跟白矮星有着直接的关系。

我们知道宇宙中的恒星之所以能发光发热，都源自于中心区域的核聚变反应，但是根据恒星质量的不同，其所进行聚变反应的速度和聚变反应的程度也不同，具体分为三种情况：

第一种，当一颗恒星的质量大于太阳质量的8%，而小于太阳质量的40%的话，这种恒星的光谱型就是M型，也就是我们常说的红矮星，它虽然只能将氢聚变成氦，而且反应速度也很慢，但是它能够在一生中将自身包含的所有的氢元素烧完，所以它的寿命很长，最长的红矮星的寿命能达到20万亿年，这是啥概念，当今宇宙的年龄才138亿岁。

这种恒星死亡以后，不会发生爆炸，而是会静静地变成一颗完全由氦组成的白矮星，很明显，我们的宇宙中现在还没有这种类型的白矮星。

第二种，当一颗恒星的质量大于太阳质量的40%，小于8倍的太阳质量的话，这种恒星的光谱型包括：K、G、F、A、和部分B型，它们能够在即将死亡的时候，启动第二阶段的核聚变，将氦继续融合，生成碳、氧、氖、镁、硅等一些重元素，在它们死亡以后，核心区域会坍缩成一颗由碳和氧组成的白矮星，并且会吹散外壳，形成行星状星云。

这种恒星的寿命比较短，数十亿年，到百亿年之间，所以现今宇宙中的白矮星都是由碳和氧组成的。

第三种情况，它们的质量都在8个太阳质量以上，光谱型为O型，是宇宙中那些最大、最蓝、最热的恒星，这些恒星可以把氢元素一路聚变到铁、镍、钴，反应非常的迅速，所以这种恒星的寿命都很短，一般几百万年到几千万年。

它们在死亡的时候，会发生剧烈的爆炸，中心区域会猛烈地坍缩成一颗中子星或者是黑洞，这就是我们常说的Ⅱ型超新星，或者叫核坍缩型超新星。

这种超新星爆发以后虽然很亮，但是它们没有规律，本征亮度都不一样，所以不能当作标准烛光来使用，但是白矮星就不一样了。

它们有很多共同的特点，比如说，它们都是由碳和氧组成的，它们的体积基本上和地球的差不多，但是密度是地球的几百万倍，它们之所以没有被引力压垮，完全是因为电子的简并压在努力的支撑着原子的结构，这种简并压力来自于泡利不相容原理。

说的是，在一个原子当中，不存在两个量子态相同的电子，所以说一个原子的电子它会排斥其他原子的电子进入自己的范围。

白矮星正是通过这种简并压保持稳定的，但是这种简并压也不是万能的，当一颗白矮星的质量超过了钱德拉塞卡极限，也就是1.4倍太阳质量，其核心就会发生失控的核聚变反应，进而引发Ⅰa型超新星爆炸。

那么问题是，本身就处在钱德拉塞卡极限以下的白矮星如何获得质量呢？只要通过以下两种方式：

第一种，我们知道宇宙中的双星和三星系统比较多，所以一颗白矮星常会有一颗伴星，由于白矮星的质量很大，而且半径很小，所以它的引力很强，因此白矮星就可以吸收伴星的物质，增加自己的质量。

这里又分为了两种情况，当白矮星吸积质量的速度比较慢的话，那么偷来的氢气就可以在白矮星的表面缓慢地燃烧，这时我们就会看到，在天空中出现了一颗新的恒星，等白矮星偷来的氢气烧完了，这颗新出现的恒星也就会消失，然后白矮星又开始攒氢气，又开始燃烧。这种间歇性的增亮过程，我们称之为“新星”。

那么当白矮星吸积质量的速度比较快，在短时间内，就将自己的质量吸到了1.4倍的太阳质量，那么它的核心就会因为高温、高压，再次启动碳聚变，由于白矮星比较致密，聚变生成的能量散发不出去，都堆积在核心区域，这就又会导致核心温度继续升高，温度的上升又导致核聚变更加的猛烈，进而又产生更多的热量，因此白矮星就这样失控了，然后就爆炸了，这就是Ⅰa型超新星。

第二种情况就是，当两颗白矮星相撞融合以后，也会因为质量的增加，发生爆炸，也叫Ⅰa型超新星。

可以看出Ⅰa型超新星的爆发具有完全一样的初始条件，一样的白矮星，一样的质量阈值，所以每一颗Ⅰa型超新星都有一样的光变曲线，那一样的光变曲线说的是，Ⅰa型超新星爆发以后，随着时间的推移，它亮度的增加到变暗过程都是一样的。

而且每一颗Ⅰa型超新星爆发以后，它的最大发光能力也是完全一样的，所以我们只需要在地球上测量Ⅰa型超新星的视亮度，然后再结合它的红移数值，就能知道它所在的星系和我们之间的距离了。

所以说Ⅰa型超新星可以当作标准烛光来使用，而且Ⅰa型超新星爆发所释放的能量高达10^44焦耳，这个能量比太阳一生释放的能量还要多，所以Ⅰa型超新星非常的明亮，这就意味着，它作为标准烛光的适用距离很远。

以前我们使用其他的测距办法最多能测到二三十亿光年以外，那么有了Ⅰa型超新星我们的测距范围超过了160亿光年。

所以在上世纪的90年代，就有两个独立的科学团队，“超新星宇宙学计划”团队和“高红移超新星研究”团队，他们就对宇宙的膨胀历史做了详细的探查，测量了大量的、不同时期的Ⅰa型超新星。

到了1998年的3年，“高红移超新星研究”团队就首先发表了一篇论文，他们的结论是，现在宇宙的膨胀根本没有减速，而是在加速，也就是说宇宙膨胀率没有下降，这说明我们之前的猜测完全是错误的。

到了9月份，超新星宇宙学计划团队也发表了它们的测量结果，同样的结论，星系的退行速度根本没有减缓，随着时间的推移，它们会越来越快的远离我们。

那么问题是，一个加速的宇宙意味着什么？鉴于暗能量的话题也比较大，得分几期说，所以今天的内容就到这里了，下节课我们回答这个问题。