科普:宇宙中的標準燭光,天文學是如何通過超新星進行測距的?

2020-12-19 水生
宇宙中的標準燭光

我們知道,小尺度的距離測量是非常簡單的,比如地球上的距離測量,可以直接用皮尺進行直觀的測量。但是大尺度的距離測量,比如天文學中的距離,是極其困難的。因此,天文學中有幾種巧妙地辦法進行距離地測量,前幾天,我們寫過一個簡單地科普短文介紹視差法對近距離地恆星距離地測量,今天我們寫一篇簡短地科普短文,來介紹天文學中是如何通過超新星對更大尺度地距離進行精確測量地。

當然,先簡單地介紹一下超新星。英文名稱supernovae,引文簡稱SN。超新星更多地是大質量主序恆星死亡時的狀態,由於外殼層中的氫和氦在漫長的恆星曆程中已經燃燒殆盡,而內殼層的重元素(主要是碳、氮和氧)也迅疾地消耗一空,恆星由於缺少輻射光子地加熱以及輻射壓對引力地平衡,整個星體不可避免地向內快速塌縮形成中子星,但是塌縮過程中地不穩定性,導致不同溫度地物質層面發生強烈地爆炸,將物質激射拋撒到空中,並爆發出強烈地輻射,就像在天空中生成了一顆新地明亮地恆星。於是就形成了超新星。極其簡單地介紹,但是真正地物理遠比這要複雜地多。

超新星遺蹟
超新星的光變曲線

由於物質地拋撒和核聚變地缺少,基於幾乎完全一致地物理,超新星地光變特徵存在著極其和諧地同一性質:幾乎所有的Ia型超新星(超新星地一種)在光變達到峰值時,其絕對星等M基本上都在19.3左右。這個和諧統一的性質為距離的測量提供了最好的信息。即使觀測的時候,已經錯過了超新星的峰值,超新星從峰值開始的下降特性對所有的Ia型超新星也基本上是和諧同一的。

因為,對地球上的觀測者來說,當發現超新星時,其視星等m(apparent magnitude)是我們精確測量的,因為視星等只與相對流量強度有關,與距離無關。而當從超新星的光變曲線特徵得到Ia型超新星的絕對星等後,很自然的就可以完美的計算出地球距離該超新星的距離D:M - m = 5 - 5log(D).

還真是簡單有效,由於Ia型超新星的這種光變峰值得和諧統一,超新星被認為是現在天文學中最好的標準燭光,而且由於超新星爆發時,極其得明亮,因此,利用超新星可以測量極為遙遠處得星系得距離,只要該星系內有超新星爆發!

當然,超新星作為標準燭光也有限制,由於超新星的數量較為稀少,而且光變下降的較快(一般只有幾個月的時間),因此要使用望遠鏡不停的對天空進行巡天觀測,以便於及時的發現新的超新星!

最後,較為驕傲的提一下,世界文明史上對超新星的最早記錄來自於我國的漢代,在《後漢書》中有如下記載:「十月癸亥,一客星出於南門,其大如鬥笠,鮮豔繽紛,後漸衰萎,於次年六月沒。」

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