超新星具有怎样的爆发机制,它与暗能量和宇宙膨胀有什么关联?
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发布时间：2023-03-17 13:13
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时间：2023-11-03 13:30
恒星生命演化末期经历的超新星爆发，为何可被运用于宇宙 探索 之中
在茫茫宇宙中，存在着各种不同的物质形态：小到宇宙尘埃、大到星系团。虽然，我们人类通过仪器可观测到的宇宙组成部分，仅占据了宇宙物质的极小一部分。但这并不妨碍像恒星这样的星体类型，可以在宇宙的演化中扮演重要角色。随着时间的递进，恒星也会跟随宇宙演化的脚步同步自己的生命进度条，而超新星便是恒星自身演化末期的一个特殊阶段。那么，超新星爆发的机制到底是怎样的，为何它与宇宙膨胀和暗能量存在关联？
众所周知，宇宙中的所有天体都有其独立的生命演化周期，而身处其中的恒星自然也不会成为例外。恒星的一生会因为不同的属性特征而具有不同的演变方式，而超新星便是恒星这个群体中一部分恒星演化过程中的一个阶段。当恒星失衡坍缩导致中心冷却，足够大的恒星便会发生剧烈爆发，就好比是一颗恒星的“暴死”过程。
相对而言，超新星在星系中较为罕见，比如银河系也大约需要50年左右才会发生一次。而恒星的演化路径很大程度上都与其质量有关，比如我们的太阳便会因为没有足够的质量，而无法最终爆炸成超新星。简单来讲，恒星进入超新星状态必须满足这两个条件之一：要么，从附近邻居积聚物质的恒星，在失控后点燃了核反应；要么，恒星由于没有足够的核燃料，而在自己的引力作用下坍塌。
事实上，对于初始质量和金属丰度不同的恒星而言，它们最终坍缩成的超新星类型也有所不同。而超新星光谱上不同元素的吸收线，则被科学家当作了超新星类型的主要划分依据，比如其中有氢吸收线的II型超新星。此类超新星要求恒星的质量应该处于太阳质量的8到15倍之间，以确保当其燃料耗尽的时候，仍可通过自身的质量和压力促使碳融合。
随着中心重元素的集聚，恒星的结构开始变得像洋葱一样出现了分层，而位置更靠恒星外部的元素，也变得越来越轻。恒星开始内爆的时间点，便始于其核心质量超过钱德拉塞卡极限之时。在这样的反应过程中，由于被高度加热的核心变得太密，以至于恒星的核心将内爆反弹了回来。于是，那些排入太空之中的恒星物质成为了超新星，而该反应过程最后的剩余物体，便是被我们叫做中子星的稠密星体。
简单来说，超新星爆发其实就是部分恒星生命末期会经历的剧烈爆发形式，当此类事件发生的时候，甚至可以照亮超新星所在的整个星系。而在此过程中所散发出的突发性强烈电磁辐射，则可以在该空间中持续数周、乃至数月的时间之后才会消失不见。那么，如此强大的超新星爆发事件，其背后到底蕴藏了怎样的爆发机制？
我们可以这样具象的来进行能量对比，一颗超新星在爆发期间所产生的辐射量，几乎可以与我们太阳整个生命周期所释放出的总辐射量相媲美。或许你有所不知，即便是初级宇宙射线，其中也有很大一部分都来自于超新星，而在星系引力波的诸多来源中，超新星毫无疑问是其中最强大的一种。
早在20多年前，科学家们就通过对Ia型超新星的研究，了解到我们的宇宙膨胀速度并不是恒定不变的。与此同时，三位获得诺贝尔奖的物理学家，还从宇宙的膨胀正在加速这一现象，提出了暗能量的存在，这是一种至今仍充满神秘感的排斥力形式。
那么，在威力如此强大的超新星爆发背后，到底蕴藏着一种怎样的机制，又会不会与我们地球上的引发爆炸机制类似？钱德拉X射线天文台隶属于NASA（美国国家航天局） ，而新的Ia型超新星残骸图像则由其捕获：红色部分的低能X射线，展示了因为超新星爆炸而不断扩散的碎片；而蓝色高能射线所显示的内容，则是高能电子的壳，也就是所谓的爆炸波。
为了深入了解这些宇宙深空中的超新星爆炸内部到底是如何工作的，科学家们使用了一种被称为DDT（临界爆燃-爆轰过渡）的新模型。从而通过化学火焰的模拟实验结果，以验证模型和结果的正确性，通过这项新的研究，或许可从很大程度上解决之前存在的诸多困惑。当然，研究的结果并没有让我们失望，当实验中由火焰产生的湍流高到一定程度的时候，位于IA型超新星中的DDT便会在此时自动被触发。
简而言之，湍流加剧了反应过程，并导致了超新星爆炸，研究人员将可以驱动火焰自动产生湍流而发生爆炸的条件，定义成了一个关键标准。而且，科学家们已经确定，这样的过程并非热核爆炸特有。比如，空气中的氢气和甲烷在化学系统中，也具有相似的反应机制。你可能很难想象，当我们将其运用到地球上的生产工作时，还可以在提高发电率的同时，改进航天器的推进系统。
为了确定DDT足够全面的信息，科学家们还将在之后的研究中，在不同类型的爆炸场景中应用此次实验中的新模型。虽然，Ia型超新星在亮度这个层面上具有一定的相似性，但其中存在的一些细微差别，则可能对我们的计算产生一些影响。不管是在宇宙距离测算方面的利用，还是暗能量性质的 探索 ，这样的研究工作都会给宇宙学和天体物理学带来特别深远的影响。
而超新星SN SCP-0401的爆发时间，则发生在宇宙发生大爆炸之后的37亿年左右，如此古老的超新星本身就是可靠的宇宙学信息。在之后的时间里，这颗具有遥远特征的Ia型超新星，被科学家们称为“标准蜡烛”，并将其运用到宇宙膨胀速度和神秘暗能量性质的研究之中。不管是暗能量具有怎样的性质、暗能量的变化是否和时间有关，以及暗能量和宇宙膨胀之间存在着怎样的关联，都是促使我们研究超新星SN SCP-0401的源动力。
简而言之，超新星SN SCP-0401的出现，不仅为我们提供了测量超新星的实例，其足够遥远的时间距离，更记录下了这100亿年的宇宙膨胀史。当然，这样的超新星只代表了宇宙 历史 中的某个数据点，倘若要对暗能量在宇宙演化史上发挥的作用进行确认。那么，我们还需要研究出更多甚至比哈勃望远镜还要先进的 探索 仪器，以寻找更多和超新星SN SCP-0401一样古老的遥远天体。
