超新星是最激烈的天體物理現(xiàn)象，它的爆發(fā)過(guò)程只延續(xù)大約一秒鐘，但是釋放出極大的能量，超新星爆炸的光度可能相當(dāng)於1,000萬(wàn)億顆恆星同時(shí)發(fā)出的光芒。爆炸時(shí)產(chǎn)生的高能粒子是地面上任何加速器都不能達(dá)到的, 它提供一個(gè)在極端條件下進(jìn)行的核融合，以及與高能粒子相互作用的實(shí)驗(yàn)，包括爆炸過(guò)程在內(nèi)，這樣的條件在地面上是永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在周期表中原子序數(shù)比鐵更高的元素(如鋅、金或鉛)全都是在超新星爆炸中產(chǎn)生的。超新星爆炸標(biāo)示了一顆恆星壯烈的死亡，但是也觸發(fā)了新一代的恆星誕生。
超新星Supernova 1994D
天文學(xué)家把超新星按它們光譜上的不同元素的吸收線來(lái)分成數(shù)個(gè)類(lèi)型：
I型：沒(méi)有氫吸收線。
Ia型：沒(méi)有氫、氦吸收線，有硅吸收線。
Ib型：沒(méi)有氫吸收線，有氦吸收線。
Ic型：沒(méi)有氫、氦、硅吸收線。
II型：有氫吸收線。
I型的超新星一般都比II型超新星亮。一般學(xué)生最先知道的超新星是II型(Type II)超新星, 是大質(zhì)量恆星死亡后, 成為黑洞或中子星前的超新星爆炸產(chǎn)生的。 Ia型超新星(Type Ia supernova, Ia唸成one-a, 不是i-a).一般相信(會(huì)寫(xiě)一般相信, 就表示并非百分之百有定論)是來(lái)自含有白矮星與巨星的雙星系統(tǒng), 白矮星從巨星的外層大氣中逐漸吸收質(zhì)量, 待白矮星的質(zhì)量超過(guò)所謂"錢(qián)的限制(Chandrasehkar's limit)"后, 會(huì)引發(fā)重力塌縮及超新星爆炸。
這種雙星系統(tǒng)的爆炸分為兩種，一種是新星的爆炸，另外一種則是更劇烈的超新星爆炸。
新星 (Nova) 爆炸：
Nova(復(fù)數(shù)Novae)在拉丁文中代表「新的」，在天文學(xué)中「新星」指的是看來(lái)像是新產(chǎn)生的星星。新星會(huì)在天空中突然變亮，維持幾天后，逐漸變暗，至數(shù)月后才看不見(jiàn)。但是事實(shí)上「新星」并非一個(gè)新誕生的星星，而是一顆年老的白矮星爆炸所形成。
新星爆炸是由於一顆普通星星的質(zhì)量經(jīng)由吸積盤(pán)轉(zhuǎn)移到一顆白矮星上。由於這些物質(zhì)是由一顆普通的星星上來(lái)的，所以裡面含有許多未經(jīng)核融合的成分，其中氫就佔(zhàn)得最多。當(dāng)這些物質(zhì)聚集在白矮星的表面時(shí)，形成一層未經(jīng)核融合反應(yīng)的燃料層。當(dāng)這層物質(zhì)愈來(lái)愈厚，它也變得愈來(lái)愈密、愈來(lái)愈熱，最后到達(dá)可以產(chǎn)生氫的核融合的條件，突然產(chǎn)生爆炸。
為了明白這些爆炸如何產(chǎn)生，我們要先了解質(zhì)量如何掉入一顆星球上。
吸積盤(pán) (Accretion Disks)
當(dāng)伴星質(zhì)量往白矮星掉落時(shí)，由於角動(dòng)量守恆，事實(shí)上物質(zhì)無(wú)法直接掉在白矮星上，而是繞著白矮星轉(zhuǎn)。我們用一個(gè)日常生活舉例︰一個(gè)裝滿水的洗臉槽，槽內(nèi)的水原本有些輕微的擾動(dòng)，不過(guò)它的旋轉(zhuǎn)并不明顯，一旦我們將塞子拔掉，往排水口流出的水由於角動(dòng)量守恆，所以變成了漩渦。同樣的，掉入白矮星的氣體也會(huì)因同樣的效應(yīng)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)，稱(chēng)為吸積盤(pán)。
中度極化雙星系統(tǒng)中的吸積盤(pán)
在吸積盤(pán)中會(huì)發(fā)生兩件重要的事情︰第一，盤(pán)中的氣體因?yàn)槟Σ亮俺毕Χ兊檬譄?。這個(gè)吸積盤(pán)扮演煞車(chē)的角色，讓氣體旋轉(zhuǎn)速度變慢，掉入白矮星內(nèi)。靠吸積盤(pán)內(nèi)部的氣體溫度可以超過(guò)100萬(wàn)K，氣體會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的X光。另外，從吸積盤(pán)往內(nèi)掉落至白矮星上的物質(zhì)會(huì)發(fā)出巨大的爆炸。
新星的爆炸將白矮星的外層以每秒幾千公里的速度往外炸開(kāi)。雖然往外炸開(kāi)的物質(zhì)質(zhì)量?jī)H有0.0001倍的太陽(yáng)質(zhì)量，但是它的光度可達(dá)太陽(yáng)的10萬(wàn)倍。當(dāng)外層膨脹得愈來(lái)愈大，且愈來(lái)愈稀薄時(shí)，就逐漸變冷，新星看來(lái)就逐漸黯淡了。
這個(gè)爆炸幾乎不會(huì)影響這顆白矮星和它的伴星，所以同樣的質(zhì)量轉(zhuǎn)移的過(guò)程又開(kāi)始進(jìn)行。白矮星外層的燃料層加厚的速度與質(zhì)量轉(zhuǎn)移的速度有關(guān)。根據(jù)這個(gè)理論，有些新星需要1,000到10萬(wàn)年來(lái)累積足夠厚的燃料層來(lái)產(chǎn)生爆炸；有些則僅需要幾週。再發(fā)新星 (recurrent novae)、矮新星 (dwarf novae) 及一些相關(guān)的不規(guī)則變星 (irregular variable stars) 都經(jīng)歷類(lèi)似新星的較小規(guī)模的爆炸。雖然這幾型星球并不一樣，不過(guò)它們都經(jīng)歷質(zhì)量累積在吸積盤(pán)的過(guò)程。
不斷發(fā)生爆炸的蛇夫座RS (RS Ophiuchi)的雙星系統(tǒng)
超新星爆炸：
經(jīng)典的觀點(diǎn)認(rèn)為，熱核爆炸超新星——也就是Ia型超新星——爆炸發(fā)生在白矮星——一種燃燒完核燃料（Nuclear Fuel）并且全部由碳（Carbon）和氧（Oxygen）組成的星體——從一個(gè)鄰近的伴星吸積物質(zhì)的時(shí)候發(fā)生。在吸積的同時(shí)白矮星會(huì)收縮從而導(dǎo)致密度和溫度上升。這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行到白矮星的質(zhì)量達(dá)到質(zhì)量極限——也就是所謂的Chandrasekhar質(zhì)量，大概等于1.4倍的太陽(yáng)質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)的時(shí)候，由于熱核反應(yīng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致核聚變放出大量的能量，將白矮星外層的物質(zhì)以很高的速度噴射出去，速度可以達(dá)到光速的百分之幾。核反應(yīng)可以將大概0.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星物質(zhì)變成一種同位素：放射性的鎳56（Nickel-56）。這種同位素的衰變——先是衰變到鈷56（Cobalt-56），然后再衰變到鐵56（Iron-56）——提供了一個(gè)延遲能量來(lái)源，這可以維持噴射出去的物質(zhì)處于高溫，導(dǎo)致超新星獲得比十億個(gè)太陽(yáng)更強(qiáng)的峰值光度（光度的定義為單位時(shí)間內(nèi)輻射出來(lái)的能量）。
天文學(xué)家對(duì)于Ia型超新星具有濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兛梢员挥脕?lái)探索宇宙的膨脹歷史。這種超新星的光度很大，這就意味著能夠在很遠(yuǎn)的地方看到——由于光的傳播速度有限，這同時(shí)也意味著可以看到遙遠(yuǎn)的過(guò)去——而它們的相對(duì)視亮度則可以被用來(lái)推測(cè)它們的距離。超新星光變曲線和峰值光度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以用來(lái)很精確地確定超新星的光度。
所有的Ia型超新星, 當(dāng)它們的亮度達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，都有著同樣的絕對(duì)亮度。因?yàn)樗鼈儼l(fā)生爆炸的原因都完全相同，起始于白矮星吸收伴星物質(zhì)的過(guò)程一直進(jìn)行到白矮星的質(zhì)量達(dá)到質(zhì)量極限，由于熱核反應(yīng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致核聚變放出大量的能量。
但是1996年后, 這一點(diǎn)被新觀測(cè)給修正了。由Howell等人發(fā)現(xiàn)的超新星是SNLS-03D3bb（或者SN2003fg）在光學(xué)波段具有發(fā)射和吸收譜，由這些信息可以確定這顆超新星是Ia型的。這就意味著它的爆炸是由前面描述的失控?zé)岷朔磻?yīng)驅(qū)動(dòng)的，而不是驅(qū)動(dòng)其它類(lèi)型超新星的引力塌縮。但是這顆超新星的峰值光度是典型Ia型超新星爆炸事例的2.2倍。超新星爆炸的光度取決于鎳56的質(zhì)量，在這個(gè)案例中，產(chǎn)生這么大的光度需要有1.3倍太陽(yáng)質(zhì)量的鎳56。產(chǎn)生這么多的鎳要求初始噴射物質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Chandrasekhar極限允許的1.4倍的太陽(yáng)質(zhì)量。這是因?yàn)楹司圩儾粌H產(chǎn)生鎳，而且還穩(wěn)定的鐵系同位素，而且SN2003fg的光學(xué)譜顯示存在更輕元素比如硅（Silicon）、硫磺（Sulphur）和鈣（Calcium）的存在。同時(shí)還可能存在沒(méi)有燃燒完全的碳和氧。把這些都考慮在一起，Howell等人估計(jì)噴射物的質(zhì)量達(dá)到了2.1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
但是為什么白矮星可以如此之重呢？一種可能是兩個(gè)鄰近的白矮星相互繞轉(zhuǎn)最后融合。這種情況可以通過(guò)由引力波導(dǎo)致的星體角動(dòng)量損失產(chǎn)生。但是這種情況下通常會(huì)產(chǎn)生的是中子星而不是超新星爆發(fā)。一個(gè)可能性更大的解釋是，從普通伴星那里被白矮星吸積過(guò)來(lái)的物質(zhì)導(dǎo)致白矮星的角動(dòng)量增加，從而使得白矮星高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以克服引力的吸引，從而使得白矮星在爆炸之前具有超過(guò)極限的質(zhì)量。
在這種情況下白矮星可以具有多大的質(zhì)量取決于角動(dòng)量在星體內(nèi)部如何分布，也就是說(shuō)白矮星作為一個(gè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)還是各不同部位的轉(zhuǎn)動(dòng)不一樣。較差轉(zhuǎn)動(dòng)（Differential Rotation）可以使得白矮星的質(zhì)量達(dá)到四倍太陽(yáng)質(zhì)量之巨，考慮到從伴星吸積物質(zhì)有一定限度，白矮星的質(zhì)量可能被限制在大概兩倍太陽(yáng)質(zhì)量。
由于多普勒效應(yīng)的結(jié)果——移動(dòng)物體發(fā)出的輻射譜發(fā)生變化——SN2003fg的光譜被展寬，而光譜變化的程度顯示噴射物質(zhì)的速度比起典型Ia型超新星來(lái)要低。這和超極限質(zhì)量白矮星是符合的，因?yàn)殡m然在這種情況下核聚變產(chǎn)生的能量更多，而同時(shí)也造成物質(zhì)脫離引力束縛需要具有更高的能量。高束縛能造成較低的噴射速度。
為了更好地了解Ia型超新星，確定噴射物質(zhì)的質(zhì)量分布是非常關(guān)鍵的。比如Ia型超新星是否普遍具有超極限的質(zhì)量？它們的質(zhì)量在1.4到2.1倍太陽(yáng)質(zhì)量之間有平滑的分布？Howell等人對(duì)超新星樣例所作的一項(xiàng)分析表明情況可能確實(shí)如此。目前的數(shù)據(jù)和位于質(zhì)量極限附近的典型Ia型超新星是相容的，而SN2003fg則顯得比較例外。這種解釋主要是受到了不同以往的超大光度以及對(duì)于光度-光變關(guān)聯(lián)關(guān)系的破壞這兩種異常現(xiàn)象的啟發(fā)。雖然這種Ia型超新星的亮度非常大，光變曲線的形狀則是典型的。
但是這種Ia型超新星爆發(fā)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)并不意味著用Ia型超新星作為宇宙學(xué)距離指示器有問(wèn)題。如果假設(shè)SN2003fg符合光度-光變形狀經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，就有可能極大地低估它的光度，從而低估它的距離。但是由于這顆超新星是如此地奇特，在一項(xiàng)宇宙學(xué)研究中已經(jīng)將其排除。光度-光變形狀關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)性的，并且對(duì)Ia型超新星的質(zhì)量分布沒(méi)有人為假設(shè)。這就已經(jīng)意味著這個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以容納白矮星質(zhì)量對(duì)質(zhì)量極限有少許偏離，但這并不包括SN2003fg這種情形。
無(wú)論如何, 我們可以透過(guò)觀測(cè)Ia型超新星而得知它們的絕對(duì)亮度. 一但有了絕對(duì)亮度, 和觀測(cè)到的亮度比較后, 透過(guò)平方反比律, 我們就可以算出該超新星的距離, 也就是它的母星系的距離。