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59 宇宙的燈塔:超新星

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前文提到,可以通過對比天體的觀測亮度和原本亮度來確定天體與我們的距離,但是天體的原本亮度畢竟是經過了很多步驟計算出來的,這當中難免有一些誤差。但是有一種天體的特殊物理性質,可以讓我們的計算結果無比精準,那就是1a型超新星(Type 1a Supernova)。

1a型超新星的亮度是精確恒定的,這是為什麽呢?還是因為量子力學。首先我們要回答一個問題,為什麽天體會有一個固定的大小?我們知道天體之所以會形成,是因為物質之間有萬有引力。物質在萬有引力的作用下聚在一起形成天體。萬有引力是一個向內收攏的力。既然天體可以達到一個固定的大小,說明一定有一個與之相抗衡的向外的作用力,否則天體就會一直向內收攏變成一個點。不同天體對抗引力的向外作用力是不一樣的。譬如,像太陽這樣的恒星,它用來抵抗引力的方式,就是核聚變產生的爆炸。如果一顆恒星燃燒殆盡,它就會失去這個抵禦引力的作用力,向內坍縮。像太陽這樣質量比較小的恒星,會變成一顆白矮星。白矮星也是有固定大小的,隻是要比原來恒星的狀態小很多。白矮星用來平衡引力的作用,叫作簡並壓。這就要用到我們之前提到的泡利不相容原理。在引力的作用下,白矮星物質中,原子和原子之間的空間非常小,原子之間就有相互合並的趨勢,但是原子中的電子實際上無法融合,根據泡利不相容原理,一個原子當中的電子無法進入另外一個原子的電子軌道。因為電子是費米子,一個軌道被占滿之後,就再也容不下更多的電子了。在白矮星當中,原子之間無法相互融合,白矮星的密度其實就是單個原子的密度。在量子力學術語中,這種情況下電子的狀態叫作處於“簡並態”,維持簡並態的這種作用叫簡並壓。