是什么亮宇宙的标准蜡烛的？

山风点烟捶

是什么亮宇宙的标准蜡烛的？
Ia型超新星是天文学家们的测量宇宙距离的最佳工具。在一个第一中研究人员已经设法在一台超级计算机上来重建一个，对它们怎样形成的领先假设赋予一个提升。


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在一个新的超级计算机模拟中，两颗白矮星之间的一个相互作用成功地触发一颗Ia型超新星。Courtesy of Ruediger Pakmor
ByLyndie Chiou
Contributing Writer
February 8, 2023
每年，大约1000颗Ia型超新星在天空中爆发。这些恒星爆炸变亮并然后以一种如此可重复的模式消失掉以致它们被用作“标准蜡烛”------天体如此均匀明亮以致天文学家能用它的外观推断到其中一个的距离。
我们的宇宙的理解是基于这些标准蜡烛的。考虑宇宙学中最大的两个秘密：宇宙的膨胀率是什么？为什么这种扩张速度正在加速呢？来理解这两个问题的努力重要的依靠用Ia型超新星做出的距离测量。
然而，研究人员并不完全的理解是什么触发这些奇怪的均匀爆炸------一种理论家们担忧的不确定性。如果有多种它们能发生的方式，在它们怎样出现中的微小不一致可能会正在破坏我们的宇宙测量。


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在过去的十年里，一个关于什么始发Ia型超新星的特殊故事已经累加了支持------一个跟踪每次爆炸到一对被称为白矮星的昏暗恒星的故事。现在，第一次研究人员已经在计算机的双白矮星场景模拟中成功的重新创造了Ia型爆炸，给该理论一个关键的提升。但这些模拟也产生了一些惊奇，揭示我们必须多么多的来了解关于宇宙中一些最重要爆炸背后的引擎。
引爆一个矮人
对一个用作为一个标准蜡烛的天体，天文学家必须知道它的内在亮度或发光度。他们能将那个与在天空中这个天体出现多亮（或暗）比较来计算它的距离。
1993年，天文学家马克·菲利普斯绘制了Ia型超新星的光度怎样随时间变化。至关重要的是，几乎所有的Ia型超新星都遵循这条被称为菲利普斯关系的曲线。这种一致性------与这些爆炸在数十亿光年外是可见的极端亮度一道------使它们成为天文学家有的最强大的标准蜡烛。但它们的一致性的理由是什么呢？
一个来自不太可能的镍元素的暗示。当一颗Ia型超新星出现在天空中时天文学家探测放射性镍56洪水涌出。而他们知道镍-56起源于白矮星中------一个暗淡的、失败的只维持密的、地球大小的碳和氧核被一层氦笼罩的恒星。然而，这些白矮星是惰性的；超新星绝对不是。谜题在于怎样从一种状态获得到另一种状态。天体物理学家、加州圣巴巴拉卡夫利理论物理研究所所长拉斯斯·比尔德斯滕说，“还没有一个干净的‘你怎么做这个？’”，他专门研究Ia型超新星。“你怎样让它来爆炸呢？”


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在由鲁迪格·帕克莫尔团队的计算机模拟中，伴星白矮星有时也爆炸。研究人员不知道是否会这在自然界中发生。Courtesy of Ruediger Pakmor
直到大约10年前，流行的理论坚持一颗白矮星从一颗附近的恒星虹吸气体直到该矮星达到了一个临界质量为止。然后它的核会变得热和足够密来引发一个失控的核反应并引爆成一颗超新星。
然后在2011年，该理论被推翻了。几十年中发现的最近的Ia型SN 2011fe被发现在它的爆炸如此早期以致天文学家有这个来寻找一颗伴星的机会。没有一个被看到。
研究人员将他们的兴趣转移到一种新的理论，即所谓的D6场景------一个代表由加州大学伯克利分校的天体物理学家沈肯创造的扭曲舌头的“动态的驱动的双降级的双爆炸”的缩写。D6场景提出一颗白矮星陷住另一颗白矮星并偷它的氦，一个释放如此多的热以致它触发第一颗矮星的氦壳中的核聚变的过程。聚变的氦将一个冲击波发向矮星的深核。它然后点爆。
但这是真的发生的吗？


大约4500年前，一颗Ia型超新星在我们的银河系中爆炸了，留下这个高能碎片的残骸。图像中的红、绿、蓝分别表示低、中、高能量x射线。X-ray: NASA/CXC/U.Texas/S.Post et al, Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF
沈想到了一种来检查的方法：如果有两颗白矮星彼此旋转环绕着，其中一颗作为超新星爆炸，没有什么将被剩下来抓在另一颗上。就像一个突然的释放的摇摆的套索一样，它应该像一个“超高速”白矮星飞走一样。
如果D6理论是正确的，超高速白矮星应该是常见的。如果它是错的，应该没有一个。
来测试这个场景的机会在2018年到来了，当时欧洲航天局的盖亚太空望远镜发布了银河系中天体的一个大规模群口新普查。在数据发布的当天，沈和他的团队整夜熬夜分析数据。他们发现了三颗快速移动的白矮星。不是许多，而不是没有一个。这正在麻烦的。
模拟的超新星
大约这个时候，多个团队开始来工作在计算机模拟上来测试D6假设。
沈和他的同事在2021年发表了一个D6点爆之后演出的模拟。放射性镍-56核应该分解成额外的粒子，这然后将花费数月衰变并在围绕超新星的区域中相互作用。（地球上的大部分锰、镍和钴以及大部分铁可能起源于诸如这样的反应）。为捕捉这个混乱，沈和同伴简化了数学：他们假设了超新星是完美的球形的，然后沿着一条从中心向外辐射的单线模拟了物理学。
引人注目的是，这个“一维”模拟产生了正确的光度曲线。比尔德斯滕惊讶道，“没有任何我会已经看到那个来的方式，它们正在展示它们能让一颗超新星落在菲利普斯关系上，如此这正在相当令人兴奋” 。
不过为验证一个点爆能首位发生，另外两个小组正忙于开发三维的D6场景的复杂超级计算机模拟。
其中一个团队最近表明了D6场景真的能触发一颗超新星。由德国加兴的马克斯·普朗克天体物理研究所的鲁迪格·帕克莫尔领导的研究人员模拟了有一层厚氦外层的主白矮星。随这颗恒星从它的伴星吸甚至更多的氦它的外层被点燃。爆炸快的绕着白矮星旅行，发送一个深在核内部的冲击波，点爆了碳和氧气。
但帕克莫尔的模拟也产生了一个奇怪的结果。旅行穿过主白矮星的冲击波有时猛烈地撞进伴星矮星足够硬也在该恒星中触发一颗超新星。这发生在当伴星的质量小于我们的太阳质量的70%时的模拟中，就像通常白矮星的情况一样。
如果两颗白矮星往往一起成超新星，这可以解释为什么看到的超高速白矮星更少。但天文学家们已经谨慎的相遇了帕克莫尔的双超新星模拟的消息。沈说，“我不相信它会发生，但这是一个真的有趣的可能性” 。


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由罗伯特·费希尔领导的计算机模拟产生了一个微弱的氦爆炸而不是一个Ia型事件” 。Courtesy of Vishal Tiwari
另一支由马萨诸塞大学达特茅斯分校的罗伯特·费舍尔领导的团队，使用了比帕克莫尔用的更薄的氦气层。在他们的模拟中，他们看到氦点火围绕矮星更慢的移动，由此产生的冲击波收敛到一个相对碳氧核偏离中心的点。该核随后未能在一个Ia型超新星中点爆。
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两个团队都被这些相互矛盾的结果困惑。帕克莫尔的团队尝试了像费舍尔那样更薄的氦层，但仍然发现了他们的系统成了超新星。
这些模拟面临的一个挑战是氦厚度和其他条件只是猜测。另一个问题是为模拟恒星大小的天体，模拟将空间粗略地划分成公里大小的块。但引发爆炸的热聚焦发生在厘米的尺度上。科学家们做出关于如何捕捉这些不同尺度之间的相互作用的选择。
目前，这本书仍然在关于Ia型超新星起源上是开放的。直到差异能被解决为止，两个团队都犹豫来得出D6场景对全部或甚至大部分场景是负责的结论。尽管如此，最终在一台超级计算机中看到一个爆炸是迈向前的明亮的一步，即便看到两个是一个惊奇。
更正：2023年2月8日
管理盖亚太空望远镜的是欧洲宇航局不是美国宇航局。
https://www.quantamagazine.org/what-lights-the-universes-standard-candles-20230208/