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如果“标准烛光”不再标准 充斥宇宙的暗能量还存在吗

来源:科技日报2020-01-21 09:18

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  与刚刚过去的2019年一样,2011年的诺贝尔物理学奖也曾花落天体物理学领域。当时得奖的三位科学家的主要贡献是,通过观测宇宙中的“标准烛光”Ia型超新星发现宇宙的加速膨胀。

  为何宇宙会加速而非匀速膨胀?很多学者认为,冥冥中有种我们尚未观测到的能量“推动”着宇宙加速膨胀,他们将这种神秘能量称为暗能量。因此,从某种程度上讲,超新星的相关研究间接支撑了暗能量理论。

  然而,近期的一项研究却表明,我们可能需要重新审视超新星、宇宙加速膨胀以及暗能量之间的关系。韩国延世大学领导的研究团队对Ia型超新星进行了一次大规模的“巡检”,发现超新星的绝对亮度与恒星群年龄显著相关。这意味着,此前的很多研究中,作为曾经的“标准烛光”,Ia型超新星的亮度可能并不“标准”,这意味着研究者需要根据超新星所处的恒星群年龄校正观测结果。

  此前超新星如何证明宇宙加速膨胀?这项新研究又刷新了人们对于超新星的哪些认知?是否会撼动暗能量理论的大厦?

  Ia型超新星: 丈量宇宙加速膨胀的“大哥大”

  “Ia型超新星具有相对稳定的光度,加之该类天体非常亮,让我们可以在很远的距离上看到它,所以它被当作‘标准烛光’来测量宇宙。”中国科学院国家天文台副研究员张天萌在接受科技日报记者采访时表示。

  超新星源于宇宙中部分恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种生命弥留之际的爆发极其强烈,产生的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系。而Ia型超新星作为超新星中的一个重要子分类,在宇宙加速膨胀理论中的“功绩”使其在宇宙学中拥有了特殊地位,也曾被美国《新千年天文学和天体物理学》列为近十年内恒星研究的主要对象之一。

  张天萌介绍,Ia型超新星来源于双星系统中白矮星的爆发。白矮星可以通过吸积等途径获得其伴星的物质,当其质量积累到约1.4个太阳质量时,内部自由电子之间相斥力造成的简并压无法抗衡引力势能,白矮星向内塌缩,从而产生超新星爆发。由于Ia型超新星爆发的能量主要来源于原子量为56的镍的同位素衰变,而镍56的质量又主要取决于白矮星的总质量,所以可认为Ia型超新星具有相对稳定的光度。

  不难想象,距离我们近的Ia型超新星会看起来亮一些,距离远的则看起来相对暗一些,即Ia型超新星的视亮度与距离具有严格的对应关系。如此一来,我们可以根据观测到的Ia型超新星视亮度及其变化情况,来推断它距离我们有多远。

  当然,宇宙在膨胀,也存在红移的问题,即光线波长被拉长,向波长更长的红光偏移。因此,红移数据提供的天体远离速度能够帮助科学家更好地了解宇宙膨胀的状态。

  2011年的诺贝尔物理学奖获得者就是利用了上述原理来窥探“天机”。“他们发现离我们越远的Ia型超新星的光度比匀速膨胀的宇宙模型预言的要暗,进而推断出可能是由于暗物质的存在导致宇宙是加速而不是匀速膨胀。”张天萌说。

  在张天萌看来,虽然近年来也有很多研究人员想利用伽马暴、类星体和引力波等天体作为新的标准烛光来测量宇宙,不过受限于均匀性、发现数量、观测难度等原因,还不能做到完全替代Ia型超新星。

  新研究: 亮度演化与星系年龄相关

  如今,韩国延世大学的这项新研究提出了对以往Ia型超新星亮度演化认知的质疑。

  他们认为,Ia型超新星的亮度可能并非此前人们想象得那样简单,而是与超新星的形态、质量和局部恒星形成速率相关,从而认为,其可能与恒星的种群性质有关。

  为了了解这些相关性的起源,研究人员对Ia型超新星进行了一次大规模的光谱观测。他们发现,Ia型超新星的光度经标准化后,与恒星种群年龄之间存在显著的相关性,置信水平高达99.5%。该项研究成果即将发表在《天体物理学》期刊上。

  “这是迄今为止对Ia型超新星光度演化最直接、最严格的测试。”文章摘要提到,暗能量存在的最直接、最有力证据来自Ia型超新星对星系距离的测量,而这一结论有一个前提条件,即通过经验标准化得到的校正后的Ia超新星亮度不会随距离的变化而变化。但是,基于上述研究结果,研究人员认为,在研究暗能量细节之前,超新星宇宙学必须仔细考虑这种系统性偏差。

  那么,此前有没有人曾同样关注过Ia型超新星的亮度演化问题?答案是肯定的。

  “之前已经有很多研究发现Ia型超新星的光度与他们所处的环境有关,包括所在星系的类型、质量、恒星形成率等。不同研究者使用的方法和模型的差异较大,有结论与韩国大学研究者类似的,但也有与之相反的,甚至认为毫无关系。”张天萌道。

  至于为何研究结论差别较大,主要是因为Ia型超新星的光度并非完全均匀。张天萌介绍,影响光度的因素很多,包括其前身星的金属丰度、自转、伴星性质和消光等,加上超新星观测的难度和设备之间的差异等,都会让测量误差增大,对结果产生较大影响。这些因素之间还可能存在一定程度的耦合,使得在对超新星光度进行修正的时候相互干扰,影响改正的结果。

  “事实上,这些结论都是基于近邻星系中的Ia型超新星的大样本统计结果,将其运用在单个的高红移星系和Ia型超新星中,会存在较大程度的偏差。”张天萌表示,未来几年,很多大视场的巡天计划会陆续展开,如利用美国广视野巡天反射望远镜和我国的空间望远镜等,将会找到并准确测量更多高红移的Ia型超新星,从中挑出更纯粹的“标准烛光”,这样测量得到的宇宙学参数会更加可靠。

  暗能量“守护者”: 超新星并非唯一

  现代宇宙学的研究表明,宇宙主要由常规物质、暗物质、暗能量组成。其中,暗能量超过七成,是宇宙中最多的组成成分。学界虽有许多理论试图来解释暗能量,但目前仍然不清楚暗能量的确切形式。

  正是因为暗能量的神秘所在,很多人都想知道,如果该项新研究的结论进一步被证实,那么是否意味着暗能量不复存在?宇宙的历史会被改写吗?

  在张天萌看来,Ia型超新星并非宇宙加速膨胀、暗能量理论的唯一证据,微波背景辐射和重子声波震荡等手段也从一定程度上确认了这些结论。

  中国科学技术大学物理学院天文系教授蔡一夫也发表了同样的观点。

  蔡一夫表示,宇宙微波背景辐射和重子声波震荡都和超新星一样可以作为宇宙测距的标尺,它们都有能够确认宇宙红移和距离的特定关系,但每一个单独的测距都有不确定性,而且它们所测量的是不同时期的宇宙,例如微波背景辐射测量的是宇宙创生38万年之后的宇宙,重子声波震荡可以测到几十亿年甚至一百亿年前的宇宙,超新星测到的是近几十亿年以内的宇宙状态。

  可以看出,学者们对宇宙演化的具体时间并不能精确到几分几秒,而是存在以亿年为单位的误差。

  “因此,任何一个观测数据单独做证据都很难说明宇宙到底发生了什么,但这就好像拼图一样,我们把诸多证据放在一起才能拼出事实的真相,也就是宇宙近138亿年发生了什么。”蔡一夫说道。(于紫月)

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