激變變星、Ia型超新星、核坍縮超新星三種天象的本質是不一樣的

2020-11-08 太空生物學

太空生物學·黃媂

除了單個恆星產生的「白矮星」之外，在雙星系統裡面所形成的「白矮星」有一些更加特殊的觀測表現，這就是所謂的「新星」和「 Ia型超新星」，本文簡單地介紹一下這兩類天體的現象。

新星，又稱「激變變星」

一顆白矮星和另一顆恆星組成了「密近雙星」，在白矮星的引力作用下伴星的物質會流向（物質傳輸）白矮星，這樣的雙星系統稱為「激變變星」。

由於這兩顆恆星在做軌道運動，所以傳輸的物質具有一定的角動量，因此會在白矮星周圍形成一個「吸積盤」。物質在吸積盤裡面做螺旋式的運動，慢慢地接近白矮星，最終會落在白矮星上面，在這個過程裡面「引力勢能」會轉變為熱能，最終通過紫外和X射線輻射釋放出來了，於是可以觀測到吸積盤以及白矮星所產生的輻射，主要是在X射線波段，也有一部分是在紫外波段的，因此這類天體稱為「激變變星」，因為它們往往會有快速的、比較劇烈的光度變化。

圖解：激變變星示意圖

  • 當堆積在白矮星表面的氫和氦足夠多時，會產生不穩定的熱核反應

當白矮星得到了伴星物質，這些物質主要是由氫和氦構成的，它們會堆積在白矮星上面，當物質堆積的量變得越來越多的時候，它所具有的溫度、密度和壓強也會隨之上升，甚至會達到一個臨界點，也就是發生熱核反應，而這個熱核反應的過程與在恆星的核心所發生的是類似的，但是地點是不一樣的。

在恆星的是發生在它的最中心位置，而白矮星的是發生在它的表面，並且這個熱核反應不是可控的，而是失控的，一旦發生了熱核反應就會快速地爆發性燃燒，會把星體表面的氫和氦全部都燒光，同時釋放大量的能量，所以在前期的吸積過程裡是處於一個相對寧靜的狀態，然後光度快速地上升，而它的光度可能會上升幾千倍甚至上萬倍，再經過幾個月或者幾年緩慢地下降。這種發生在白矮星表面的失控熱核反應，所導致的能量釋放過程稱為「新星」。

原因是在它爆發前處於非常寧靜或者說是非常黯淡的一個狀態，突然發生核反應了，所以它變的非常明亮，就像在那個位置出現了一顆新的恆星一樣，這是稱為「新星」的原因。在我們中國的古天象記錄裡，這類現象以及跟它類似的這些現象呢，稱為「客星」，它們像客人一樣突然出現了，然後過了一陣又回去了。

圖解：恆星光度突然上升示意圖

  • 舉例說明： 武仙座·Herculis 1934

武仙座，1934年發生了一次「新星」或者說「新星爆發」，下面的三張照片就展示了「武仙座·1934」爆發時刻的圖像，以及兩個月後和40年後的圖像。

爆發時刻的星等可以達到3m星等，所以是一個相當明亮的天體，但是經過兩個月之後星等就衰減到了12m星等，而過了40年後在爆發時候向外面拋射出來的氣體在向外膨脹，大小已經達到了0.05個光年。

通過對新星爆發的記錄，可以去研究在白矮星雙星系統裡面所發生的物質的交流過程以及核反應的過程，對於雙星演化、對於白矮星性質的影響，因為「武仙座·1934」爆發過程從起源上來講是由於物質傳輸所導致的，這個物質傳輸過程並不因為新星爆發而停止，所以一次新星爆發結束之後，接下來的物質傳輸還可能會導致下一次的新星爆發，會周而復始地發生這個現象，所以新星爆發在理論上面都是會重複發生的，因此稱為「再發新星」。

圖解：武仙座·Herculis 1934爆發時間段對比圖

Ia型超新星

在特殊的情況下，白矮星和伴星之間的物質交流可能是以一種平穩的方式來進行的，不發生或者很少發生新星爆發，於是從伴星傳輸過來的物質就一直累積在白矮星的表面，成為白矮星的一部分，於是白矮星的質量就會越來越大。

圖解：物質交流

當質量達到了「錢德拉塞卡極限質量」，也就是大約在1.4倍太陽質量的時候，白矮星就會變得不穩定了，在內部的溫度、密度和壓強的擾動，可能會導致裡面的碳和氧會發生爆發性的燃燒，這種燃燒會傳遞到整個星體，最終的結局是把整個白矮星都炸光了，並且釋放約10的51次方爾格的能量，這是一個非常巨大的能量能量釋放過程。

圖解：當白矮星的質量達到1.4個太陽質量的時候，內部一旦發生碳或者是氧的核反應之後，坍縮產生的能量釋放過程會迅速地傳遍整個白矮星導致所有的星體物質都被炸碎了

「Ia型超新星」和「核坍縮超新星」的本質是不一樣的，「核坍縮超新星」是大質量恆星的鐵核核坍，而「Ia型超新星」是來自於白矮星的熱核暴脹，從觀測上講「Ia型超新星」在光度極大時的星等可以達到-19.5m，同樣也是一個非常明亮的天象。

  • 舉例說明：星系NGC 4526中的Ia型超新星1994D

通過對NGC 4526的研究發現它們有一個非常重要的特點，光變曲線幾乎是一致的，對應的極大星等也幾乎是一致的，這就意味著Ia型超新星是一個非常好的「標準燭光」，也就是可以通過測量不同亮度的Ia型超新星，把它和標準燭光所對應的光度進行比較，就可以測量出它的距離，這是目前用來測量宇宙裡面遙遠天體距離的一個非常重要的手段，宇宙的加速膨脹以及宇宙暗能量等一些重大天體物理上的進展都是通過Ia型超新星作為標準燭光來測量的。

圖解：NGC 4526的光譜曲線

黃媂總結：「激變變星」與「Ia型超新星」的本質

  • 新星——白矮星表面的失控熱核反應

-當堆積在白矮星正反面的氫和氦足夠多時，會產生不穩定的熱核反應。

-在觀測上表現為新星：在幾天、幾周內亮度增加7-16星等，然後緩緩下降，經幾個月或幾年回復到原先的亮度狀態。

-我國古代天象記載中稱此類現象為「客星」。

  • Ia型超新星

-如果吸積白矮星的質量達到「錢德拉塞卡極限質量」也就是1.4倍太陽質量時，白矮星內部的碳和氧會發生爆發性燃燒，導致整個星體被炸光，釋放約10⁵¹爾格的能量。

-Ia型超新星在光度極大時的星等達到-19.5m，且高度穩定，因此可以用來作為測量遙遠天體距離的標準燭光。

圖解：星系NGC 4526中的Ia型超新星1994D

作者：太空生物學·黃媂

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