59 宇宙的灯塔：超新星

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。

1a型超新星，在发生超新星爆炸前通常是白矮星的状态。并且，这颗白矮星还必须有一颗伴星，也就是有一颗质量很大的天体跟它配对，互相围绕着对方公转，白矮星还要不断地从它的伴星上吸收物质。当吸收的物质足够多，白矮星的质量增加到1.44倍的太阳质量这个临界质量的时候，简并压也无法抵挡引力向内收缩的趋势，就会发生能量密度极高的超新星爆炸。1.44倍太阳质量，叫钱德拉塞卡极限，是通过计算得出的。1a型超新星发生爆炸的状态，一定是质量达到钱德拉塞卡极限的状态。只要它爆炸时的质量是恒定的，它爆炸时发出的亮度就是恒定的，因为爆炸亮度只跟质量有关。1a型超新星的原亮度是恒定的，因此，我们只要比对望远镜观察到的亮度和它的原本亮度，就能轻易地判断出1a型超新星与我们的距离。也正是因为所有1a型超新星的亮度是固定的，它可以被用来作为宇宙中判断距离的标记点，所以被称为“宇宙灯塔”。