如果“標(biāo)準(zhǔn)燭光”不再標(biāo)準(zhǔn) 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(xué)家用來(lái)測(cè)量宇宙距離的重要“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。
實(shí)習(xí)記者 于紫月
與剛剛過(guò)去的2019年一樣，2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也曾花落天體物理學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)得獎(jiǎng)的三位科學(xué)家的主要貢獻(xiàn)是，通過(guò)觀測(cè)宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”Ia型超新星發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹。
為何宇宙會(huì)加速而非勻速膨脹？很多學(xué)者認(rèn)為，冥冥中有種我們尚未觀測(cè)到的能量“推動(dòng)”著宇宙加速膨脹，他們將這種神秘能量稱(chēng)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(xiàng)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(guó)延世大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Ia型超新星進(jìn)行了一次大規(guī)模的“巡檢”，發(fā)現(xiàn)超新星的絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)燭光”，Ia型超新星的亮度可能并不“標(biāo)準(zhǔn)”，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(cè)結(jié)果。
此前超新星如何證明宇宙加速膨脹？這項(xiàng)新研究又刷新了人們對(duì)于超新星的哪些認(rèn)知？是否會(huì)撼動(dòng)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(duì)穩(wěn)定的光度，加之該類(lèi)天體非常亮，讓我們可以在很遠(yuǎn)的距離上看到它，所以它被當(dāng)作‘標(biāo)準(zhǔn)燭光’來(lái)測(cè)量宇宙。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員張?zhí)烀仍诮邮芸萍既請(qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。
超新星源于宇宙中部分恒星在演化接近末期時(shí)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(qiáng)烈，產(chǎn)生的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系。而Ia型超新星作為超新星中的一個(gè)重要子分類(lèi)，在宇宙加速膨脹理論中的“功績(jī)”使其在宇宙學(xué)中擁有了特殊地位，也曾被美國(guó)《新千年天文學(xué)和天體物理學(xué)》列為近十年內(nèi)恒星研究的主要對(duì)象之一。
張?zhí)烀冉榻B，Ia型超新星來(lái)源于雙星系統(tǒng)中白矮星的爆發(fā)。白矮星可以通過(guò)吸積等途徑獲得其伴星的物質(zhì)，當(dāng)其質(zhì)量積累到約1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，內(nèi)部自由電子之間相斥力造成的簡(jiǎn)并壓無(wú)法抗衡引力勢(shì)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(lái)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(rèn)為Ia型超新星具有相對(duì)穩(wěn)定的光度。
不難想象，距離我們近的Ia型超新星會(huì)看起來(lái)亮一些，距離遠(yuǎn)的則看起來(lái)相對(duì)暗一些，即Ia型超新星的視亮度與距離具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如此一來(lái)，我們可以根據(jù)觀測(cè)到的Ia型超新星視亮度及其變化情況，來(lái)推斷它距離我們有多遠(yuǎn)。
當(dāng)然，宇宙在膨脹，也存在紅移的問(wèn)題，即光線波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，向波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅光偏移。因此，紅移數(shù)據(jù)提供的天體遠(yuǎn)離速度能夠幫助科學(xué)家更好地了解宇宙膨脹的狀態(tài)。
2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者就是利用了上述原理來(lái)窺探“天機(jī)”。“他們發(fā)現(xiàn)離我們?cè)竭h(yuǎn)的Ia型超新星的光度比勻速膨脹的宇宙模型預(yù)言的要暗，進(jìn)而推斷出可能是由于暗物質(zhì)的存在導(dǎo)致宇宙是加速而不是勻速膨脹。”張?zhí)烀日f(shuō)。
在張?zhí)烀瓤磥?lái)，雖然近年來(lái)也有很多研究人員想利用伽馬暴、類(lèi)星體和引力波等天體作為新的標(biāo)準(zhǔn)燭光來(lái)測(cè)量宇宙，不過(guò)受限于均勻性、發(fā)現(xiàn)數(shù)量、觀測(cè)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(guó)延世大學(xué)的這項(xiàng)新研究提出了對(duì)以往Ia型超新星亮度演化認(rèn)知的質(zhì)疑。
他們認(rèn)為，Ia型超新星的亮度可能并非此前人們想象得那樣簡(jiǎn)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(rèn)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(duì)Ia型超新星進(jìn)行了一次大規(guī)模的光譜觀測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)，Ia型超新星的光度經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)99.5%。該項(xiàng)研究成果即將發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上。
“這是迄今為止對(duì)Ia型超新星光度演化最直接、最嚴(yán)格的測(cè)試。”文章摘要提到，暗能量存在的最直接、最有力證據(jù)來(lái)自Ia型超新星對(duì)星系距離的測(cè)量，而這一結(jié)論有一個(gè)前提條件，即通過(guò)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化得到的校正后的Ia超新星亮度不會(huì)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(rèn)為，在研究暗能量細(xì)節(jié)之前，超新星宇宙學(xué)必須仔細(xì)考慮這種系統(tǒng)性偏差。
那么，此前有沒(méi)有人曾同樣關(guān)注過(guò)Ia型超新星的亮度演化問(wèn)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(lèi)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(guó)大學(xué)研究者類(lèi)似的，但也有與之相反的，甚至認(rèn)為毫無(wú)關(guān)系。”張?zhí)烀鹊馈?/p>
至于為何研究結(jié)論差別較大，主要是因?yàn)镮a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(cè)的難度和設(shè)備之間的差異等，都會(huì)讓測(cè)量誤差增大，對(duì)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(duì)超新星光度進(jìn)行修正的時(shí)候相互干擾，影響改正的結(jié)果。
“事實(shí)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(jì)結(jié)果，將其運(yùn)用在單個(gè)的高紅移星系和Ia型超新星中，會(huì)存在較大程度的偏差。”張?zhí)烀缺硎荆磥?lái)幾年，很多大視場(chǎng)的巡天計(jì)劃會(huì)陸續(xù)展開(kāi)，如利用美國(guó)廣視野巡天反射望遠(yuǎn)鏡和我國(guó)的空間望遠(yuǎn)鏡等，將會(huì)找到并準(zhǔn)確測(cè)量更多高紅移的Ia型超新星，從中挑出更純粹的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，這樣測(cè)量得到的宇宙學(xué)參數(shù)會(huì)更加可靠。
暗能量“守護(hù)者”： 超新星并非唯一
現(xiàn)代宇宙學(xué)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(guò)七成，是宇宙中最多的組成成分。學(xué)界雖有許多理論試圖來(lái)解釋暗能量，但目前仍然不清楚暗能量的確切形式。
正是因?yàn)榘的芰康纳衩厮冢芏嗳硕枷胫溃绻擁?xiàng)新研究的結(jié)論進(jìn)一步被證實(shí)，那么是否意味著暗能量不復(fù)存在？宇宙的歷史會(huì)被改寫(xiě)嗎？
在張?zhí)烀瓤磥?lái)，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(rèn)了這些結(jié)論。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系教授蔡一夫也發(fā)表了同樣的觀點(diǎn)。
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(cè)距的標(biāo)尺，它們都有能夠確認(rèn)宇宙紅移和距離的特定關(guān)系，但每一個(gè)單獨(dú)的測(cè)距都有不確定性，而且它們所測(cè)量的是不同時(shí)期的宇宙，例如微波背景輻射測(cè)量的是宇宙創(chuàng)生38萬(wàn)年之后的宇宙，重子聲波震蕩可以測(cè)到幾十億年甚至一百億年前的宇宙，超新星測(cè)到的是近幾十億年以?xún)?nèi)的宇宙狀態(tài)。
可以看出，學(xué)者們對(duì)宇宙演化的具體時(shí)間并不能精確到幾分幾秒，而是存在以?xún)|年為單位的誤差。
“因此，任何一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)做證據(jù)都很難說(shuō)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(shí)的真相，也就是宇宙近138億年發(fā)生了什么。”蔡一夫說(shuō)道。
