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59 宇宙的灯塔:超新星

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前文提到,可以通过对比天体的观测亮度和原本亮度来确定天体与我们的距离,但是天体的原本亮度毕竟是经过了很多步骤计算出来的,这当中难免有一些误差。但是有一种天体的特殊物理性质,可以让我们的计算结果无比精准,那就是1a型超新星(Type 1a Supernova)。

1a型超新星的亮度是精确恒定的,这是为什么呢?还是因为量子力学。首先我们要回答一个问题,为什么天体会有一个固定的大小?我们知道天体之所以会形成,是因为物质之间有万有引力。物质在万有引力的作用下聚在一起形成天体。万有引力是一个向内收拢的力。既然天体可以达到一个固定的大小,说明一定有一个与之相抗衡的向外的作用力,否则天体就会一直向内收拢变成一个点。不同天体对抗引力的向外作用力是不一样的。譬如,像太阳这样的恒星,它用来抵抗引力的方式,就是核聚变产生的爆炸。如果一颗恒星燃烧殆尽,它就会失去这个抵御引力的作用力,向内坍缩。像太阳这样质量比较小的恒星,会变成一颗白矮星。白矮星也是有固定大小的,只是要比原来恒星的状态小很多。白矮星用来平衡引力的作用,叫作简并压。这就要用到我们之前提到的泡利不相容原理。在引力的作用下,白矮星物质中,原子和原子之间的空间非常小,原子之间就有相互合并的趋势,但是原子中的电子实际上无法融合,根据泡利不相容原理,一个原子当中的电子无法进入另外一个原子的电子轨道。因为电子是费米子,一个轨道被占满之后,就再也容不下更多的电子了。在白矮星当中,原子之间无法相互融合,白矮星的密度其实就是单个原子的密度。在量子力学术语中,这种情况下电子的状态叫作处于“简并态”,维持简并态的这种作用叫简并压。