如果“標準燭光”不再標準 充斥宇宙的暗能量還存在嗎
發(fā)現(xiàn)于2005年的超新星2005ke，是一顆Ia型超新星。它發(fā)出的耀眼光芒是天文學家用來測量宇宙距離的重要“標準燭光”。
實習記者 于紫月
與剛剛過去的2019年一樣，2011年的諾貝爾物理學獎也曾花落天體物理學領(lǐng)域。當時得獎的三位科學家的主要貢獻是，通過觀測宇宙中的“標準燭光”Ia型超新星發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹。
為何宇宙會加速而非勻速膨脹？很多學者認為，冥冥中有種我們尚未觀測到的能量“推動”著宇宙加速膨脹，他們將這種神秘能量稱為暗能量。因此，從某種程度上講，超新星的相關(guān)研究間接支撐了暗能量理論。
然而，近期的一項研究卻表明，我們可能需要重新審視超新星、宇宙加速膨脹以及暗能量之間的關(guān)系。韓國延世大學領(lǐng)導的研究團隊對Ia型超新星進行了一次大規(guī)模的“巡檢”，發(fā)現(xiàn)超新星的絕對亮度與恒星群年齡顯著相關(guān)。這意味著，此前的很多研究中，作為曾經(jīng)的“標準燭光”，Ia型超新星的亮度可能并不“標準”，這意味著研究者需要根據(jù)超新星所處的恒星群年齡校正觀測結(jié)果。
此前超新星如何證明宇宙加速膨脹？這項新研究又刷新了人們對于超新星的哪些認知？是否會撼動暗能量理論的大廈？
Ia型超新星： 丈量宇宙加速膨脹的“大哥大”
“Ia型超新星具有相對穩(wěn)定的光度，加之該類天體非常亮，讓我們可以在很遠的距離上看到它，所以它被當作‘標準燭光’來測量宇宙。”中國科學院國家天文臺副研究員張?zhí)烀仍诮邮芸萍既請笥浾卟稍L時表示。
超新星源于宇宙中部分恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種生命彌留之際的爆發(fā)極其強烈，產(chǎn)生的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系。而Ia型超新星作為超新星中的一個重要子分類，在宇宙加速膨脹理論中的“功績”使其在宇宙學中擁有了特殊地位，也曾被美國《新千年天文學和天體物理學》列為近十年內(nèi)恒星研究的主要對象之一。
張?zhí)烀冉榻B，Ia型超新星來源于雙星系統(tǒng)中白矮星的爆發(fā)。白矮星可以通過吸積等途徑獲得其伴星的物質(zhì)，當其質(zhì)量積累到約1.4個太陽質(zhì)量時，內(nèi)部自由電子之間相斥力造成的簡并壓無法抗衡引力勢能，白矮星向內(nèi)塌縮，從而產(chǎn)生超新星爆發(fā)。由于Ia型超新星爆發(fā)的能量主要來源于原子量為56的鎳的同位素衰變，而鎳56的質(zhì)量又主要取決于白矮星的總質(zhì)量，所以可認為Ia型超新星具有相對穩(wěn)定的光度。
不難想象，距離我們近的Ia型超新星會看起來亮一些，距離遠的則看起來相對暗一些，即Ia型超新星的視亮度與距離具有嚴格的對應關(guān)系。如此一來，我們可以根據(jù)觀測到的Ia型超新星視亮度及其變化情況，來推斷它距離我們有多遠。
當然，宇宙在膨脹，也存在紅移的問題，即光線波長被拉長，向波長更長的紅光偏移。因此，紅移數(shù)據(jù)提供的天體遠離速度能夠幫助科學家更好地了解宇宙膨脹的狀態(tài)。
2011年的諾貝爾物理學獎獲得者就是利用了上述原理來窺探“天機”?！八麄儼l(fā)現(xiàn)離我們越遠的Ia型超新星的光度比勻速膨脹的宇宙模型預言的要暗，進而推斷出可能是由于暗物質(zhì)的存在導致宇宙是加速而不是勻速膨脹?！睆?zhí)烀日f。
在張?zhí)烀瓤磥?，雖然近年來也有很多研究人員想利用伽馬暴、類星體和引力波等天體作為新的標準燭光來測量宇宙，不過受限于均勻性、發(fā)現(xiàn)數(shù)量、觀測難度等原因，還不能做到完全替代Ia型超新星。
新研究： 亮度演化與星系年齡相關(guān)
如今，韓國延世大學的這項新研究提出了對以往Ia型超新星亮度演化認知的質(zhì)疑。
他們認為，Ia型超新星的亮度可能并非此前人們想象得那樣簡單，而是與超新星的形態(tài)、質(zhì)量和局部恒星形成速率相關(guān)，從而認為，其可能與恒星的種群性質(zhì)有關(guān)。
為了了解這些相關(guān)性的起源，研究人員對Ia型超新星進行了一次大規(guī)模的光譜觀測。他們發(fā)現(xiàn)，Ia型超新星的光度經(jīng)標準化后，與恒星種群年齡之間存在顯著的相關(guān)性，置信水平高達99.5%。該項研究成果即將發(fā)表在《天體物理學》期刊上。
“這是迄今為止對Ia型超新星光度演化最直接、最嚴格的測試?！蔽恼抡岬剑的芰看嬖诘淖钪苯?、最有力證據(jù)來自Ia型超新星對星系距離的測量，而這一結(jié)論有一個前提條件，即通過經(jīng)驗標準化得到的校正后的Ia超新星亮度不會隨距離的變化而變化。但是，基于上述研究結(jié)果，研究人員認為，在研究暗能量細節(jié)之前，超新星宇宙學必須仔細考慮這種系統(tǒng)性偏差。
那么，此前有沒有人曾同樣關(guān)注過Ia型超新星的亮度演化問題？答案是肯定的。
“之前已經(jīng)有很多研究發(fā)現(xiàn)Ia型超新星的光度與他們所處的環(huán)境有關(guān)，包括所在星系的類型、質(zhì)量、恒星形成率等。不同研究者使用的方法和模型的差異較大，有結(jié)論與韓國大學研究者類似的，但也有與之相反的，甚至認為毫無關(guān)系?！睆?zhí)烀鹊馈?/p>
至于為何研究結(jié)論差別較大，主要是因為Ia型超新星的光度并非完全均勻。張?zhí)烀冉榻B，影響光度的因素很多，包括其前身星的金屬豐度、自轉(zhuǎn)、伴星性質(zhì)和消光等，加上超新星觀測的難度和設備之間的差異等，都會讓測量誤差增大，對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。這些因素之間還可能存在一定程度的耦合，使得在對超新星光度進行修正的時候相互干擾，影響改正的結(jié)果。
“事實上，這些結(jié)論都是基于近鄰星系中的Ia型超新星的大樣本統(tǒng)計結(jié)果，將其運用在單個的高紅移星系和Ia型超新星中，會存在較大程度的偏差。”張?zhí)烀缺硎?，未來幾年，很多大視場的巡天計劃會陸續(xù)展開，如利用美國廣視野巡天反射望遠鏡和我國的空間望遠鏡等，將會找到并準確測量更多高紅移的Ia型超新星，從中挑出更純粹的“標準燭光”，這樣測量得到的宇宙學參數(shù)會更加可靠。
暗能量“守護者”： 超新星并非唯一
現(xiàn)代宇宙學的研究表明，宇宙主要由常規(guī)物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量組成。其中，暗能量超過七成，是宇宙中最多的組成成分。學界雖有許多理論試圖來解釋暗能量，但目前仍然不清楚暗能量的確切形式。
正是因為暗能量的神秘所在，很多人都想知道，如果該項新研究的結(jié)論進一步被證實，那么是否意味著暗能量不復存在？宇宙的歷史會被改寫嗎？
在張?zhí)烀瓤磥?，Ia型超新星并非宇宙加速膨脹、暗能量理論的唯一證據(jù)，微波背景輻射和重子聲波震蕩等手段也從一定程度上確認了這些結(jié)論。
中國科學技術(shù)大學物理學院天文系教授蔡一夫也發(fā)表了同樣的觀點。
蔡一夫表示，宇宙微波背景輻射和重子聲波震蕩都和超新星一樣可以作為宇宙測距的標尺，它們都有能夠確認宇宙紅移和距離的特定關(guān)系，但每一個單獨的測距都有不確定性，而且它們所測量的是不同時期的宇宙，例如微波背景輻射測量的是宇宙創(chuàng)生38萬年之后的宇宙，重子聲波震蕩可以測到幾十億年甚至一百億年前的宇宙，超新星測到的是近幾十億年以內(nèi)的宇宙狀態(tài)。
可以看出，學者們對宇宙演化的具體時間并不能精確到幾分幾秒，而是存在以億年為單位的誤差。
“因此，任何一個觀測數(shù)據(jù)單獨做證據(jù)都很難說明宇宙到底發(fā)生了什么，但這就好像拼圖一樣，我們把諸多證據(jù)放在一起才能拼出事實的真相，也就是宇宙近138億年發(fā)生了什么?！辈桃环蛘f道。
