點亮“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，Ia型超新星研究領(lǐng)域有了新突破！

出品：科普中國

作者: 趙偉濤（中國科學(xué)院云南天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

被稱之為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的Ia型超新星，對于研究宇宙膨脹速度、驗證暗能量領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。

超軟X射線源，它是Ia型超新星最有可能的前身。研究它將對于我們相關(guān)的研究大有幫助。但是，它的準(zhǔn)周期性光變曲線的起源仍屬于未知范疇。

值得欣喜的是，在關(guān)于超軟X射線源研究領(lǐng)域，中國科學(xué)院云南天文臺的研究人員近日取得了一項全新的突破。

主宰宇宙的神秘“暗能量”

近年來，關(guān)于暗能量的研究一直都在吸引各國科學(xué)家的密切關(guān)注?！鞍滴镔|(zhì)”和“暗能量”可能將成為未來科學(xué)的核心研究方向。

暗能量，這個比暗物質(zhì)更神秘，更加摸不著頭腦的宇宙神秘能量，很可能就是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的關(guān)鍵因素！

（圖片來源：Veer圖庫）

更加令人震驚的是，各國科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這個看不見摸不著的暗能量，在宇宙中占據(jù)著主導(dǎo)地位。根據(jù)2020年底發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊》（The Astrophysical Journal）上的一份研究表示，宇宙由暗能量和其他的各種物質(zhì)構(gòu)成，其中暗能量占69%，各種物質(zhì)占31%。此外，在這些物質(zhì)中，暗物質(zhì)占比高達(dá)80%。人們所熟悉的其他星體、星系、塵埃和氣體等常規(guī)物質(zhì)僅占20%。

也就是說，在宇宙中占比近七成的部分，對于人類來說，仍然是一無所知的神秘領(lǐng)域。

由于暗能量至今無法被直接觀測，科學(xué)家們目前只能通過間接的方式推測出它們的存在。

那么到底暗能量是如何被證實存在的？想進(jìn)一步了解暗能量，這幾個關(guān)鍵詞你一定要知道，它們就是：宇宙膨脹、宇宙常數(shù)，以及Ia型超新星。

宇宙常數(shù)與愛因斯坦一生中“最大的錯誤”

宇宙到底是不是永恒不變的？這個論題從古至今，在物理界、數(shù)學(xué)界、天文界甚至哲學(xué)界都存在著各種各樣的看法，連牛頓和愛因斯坦都曾經(jīng)各自有著一套獨特的宇宙觀，來闡述自己對宇宙“永恒”的理解。

（圖片來源：pixabay）

愛因斯坦就曾經(jīng)提出了“有限無界的靜態(tài)宇宙”模型：他認(rèn)為在一定的宇宙尺度下（例如一億光年），宇宙將不隨時間變化而發(fā)生變化。甚至為此理論，他在廣義相對論中的引力場方程中，引入了“宇宙常數(shù)Λ”，以佐證這一觀點——“宇宙常數(shù)Λ”假設(shè)了空間本身有一種內(nèi)在能量，來抵消大尺度上的物質(zhì)引力，以此保證宇宙是靜止的。

但在大約十年后，這一觀點就被“打了臉”。美國天文學(xué)家愛德溫·哈勃通過觀測，并根據(jù)星系光譜紅移和距離的線性關(guān)系，也就是俗稱的哈勃定律，正式確定了愛因斯坦提出的靜態(tài)宇宙模型并不符合實際情況，宇宙正在發(fā)生膨脹。甚至還有傳聞稱，宇宙常數(shù)Λ被愛因斯坦稱之為自己一生“最大的錯誤”。

事實上，引入“宇宙常數(shù)Λ”之前的引力場方程，恰恰已經(jīng)能夠預(yù)示不穩(wěn)定的宇宙可能會發(fā)生膨脹或收縮。

愛因斯坦引入“宇宙常數(shù)Λ”前后的引力場方程

根據(jù)牛頓萬有引力定律，宇宙大爆炸所產(chǎn)生的沖力在引力的作用下和牽制下，宇宙的膨脹速度應(yīng)該是漸于趨緩直至穩(wěn)定平衡的。但是在2011年，諾貝爾物理學(xué)獎得主們發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。

科學(xué)家們經(jīng)過一系列觀測和計算之后，研究顯示宇宙之中應(yīng)該存在著一種與引力作用方向相反（反引力作用力），至今人類還沒有發(fā)現(xiàn)的神秘力量！

物理學(xué)界把這種與引力作用方向相反、至今人類還未知的、神秘作用力稱之為“暗能量”，并且認(rèn)為正是這種“暗能量”推動宇宙快速膨脹，星系天體快速遠(yuǎn)離我們。而從這時起，暗能量與宇宙膨脹之間的因果關(guān)系，才隨著人們的關(guān)注逐漸明朗起來。

為了破解暗能量，“宇宙常數(shù)”又復(fù)活了？

基于暗能量被發(fā)現(xiàn)的事實，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)再次引起了人們的討論。既然宇宙常數(shù)，或者說是暗能量，確實是存在的，它不僅在對抗著宇宙中的引力，并且左右著宇宙的膨脹速率，那愛因斯坦當(dāng)時真的錯了嗎？

答案是肯定的。雖然暗能量是引起宇宙膨脹的主因，但當(dāng)時愛因斯坦引入宇宙常數(shù)也只是為了證明宇宙是靜止的觀點，同時，宇宙常數(shù)也證明了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型根本不是正確的。

現(xiàn)代科學(xué)要基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠^測和計算，在經(jīng)歷了一系列曲折后，正在時間中復(fù)活的宇宙常數(shù)，有了全新的意義。

在現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型ΛCDM中，用來描述宇宙狀態(tài)的方程主要與三個宇宙學(xué)參數(shù)有關(guān)，即ΩM 宇宙密度參數(shù)，ΩΛ 宇宙學(xué)歸一化常數(shù)以及H0哈勃常數(shù)。公式中包含的兩個主要變量——宇宙學(xué)密度參數(shù)和哈勃常數(shù)都是至關(guān)重要的。

顧名思義，暗能量就是宇宙中我們無法看到的神秘能量。既然暗能量是無法直接被觀測到的，科學(xué)家又要如何計算出宇宙常數(shù)的值呢？答案就是——科學(xué)家是通過觀測遙遠(yuǎn)的Ia型超新星的紅移和星等等信息，假設(shè)不同的宇宙學(xué)常數(shù)模型，再對觀測進(jìn)行擬合，就可以測量出比較精確的宇宙學(xué)常數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型

（圖片來源:wikipedia）

換句話說，天文學(xué)家們是根據(jù)遙遠(yuǎn)的超新星的觀測，和宇宙微波背景的波動來估算宇宙常數(shù)的值的。

此外，宇宙常數(shù)的計算還和宇宙中重金屬元素的豐度息息相關(guān)。現(xiàn)在研究認(rèn)為，宇宙中的大部分重金屬元素（比鐵重）是來自于超新星爆炸。超新星爆炸會向宇宙中拋射物質(zhì)，包括重金屬元素，這些重金屬元素對星系、星團(tuán)、恒星，以及行星的形成都十分重要。

綜上所述，暗能量的特征可以根據(jù)宇宙常數(shù)來推測，而宇宙學(xué)常數(shù)則可以從對Ia型超新星的觀測來進(jìn)行計算。

而在所有的超新星類型中，有一類超新星，是天文學(xué)家們觀測宇宙膨脹的重要工具。它就是我們即將提到的，Ia型超新星。

Ia型超新星：研究宇宙膨脹的“希望之光”

Ia型超新星可以說是當(dāng)前國際天文界中的“熱門選手”，假如相關(guān)學(xué)術(shù)界有課題熱搜榜，它一定榜上有名。

Ia型超新星的光譜中沒有氫線和氦線，且具有基本相同的峰值光度，因此它也被稱為是“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。根據(jù)在地球上觀測到的不同的Ia型超新星光度，我們就可以知道它們離我們的距離。

科學(xué)家根據(jù)這個原理，通過觀測Ia型超新星的光度曲線和紅移值，發(fā)現(xiàn)了Ia型超新星離我們越來越遠(yuǎn)，且速度越來越快——這就意味著宇宙在加速膨脹。而推動宇宙加速膨脹的這個未知力量，正是“暗能量”。

而天文界“網(wǎng)紅”Ia型新星的作用也是杠杠的——在計算哈勃常數(shù)H0，以及宇宙學(xué)參數(shù)ΩM和ΩΛ 時，人們需要知道Ia型超新星的誕生率等信息，而這些與Ia型超新星的前身星息息相關(guān)；星系的演化也需要Ia型超新星的核合成物、拋射物的動能以及輻射作為物理輸入；對Ia型超新星的爆炸模型的模擬和理解，可以得知發(fā)生爆炸前的初始條件和發(fā)生爆炸時的環(huán)境；Ia型超新星的前身星的證認(rèn)對于雙星演化理論可以提供合理的限制。

因此，我們想讓Ia型超新星在研究中發(fā)揮更大的作用，就需要詳細(xì)地了解Ia型超新星的前身星。但是目前為止，人們?nèi)匀徊磺宄蘒a型超新星的前身星模型。

Ia型超新星的“前世”與超軟X射線源

在過去的幾十年里，人們對于Ia型超新星的前身星提出了很多種理論，其中單簡并星模型和雙簡并星模型是目前最流行的兩種模型。

兩種前身星模型示意圖

左：單簡并星模型；右：雙簡并星模型。

（圖片來源:NASA）

雙簡并星模型是指兩個CO白矮星相互旋轉(zhuǎn)，由于引力波輻射而不斷損失角動量，最終合并成一個新的CO白矮星。如果合并后總質(zhì)量超過錢德拉塞卡質(zhì)量極限，就會發(fā)生Ia型超新星爆炸。

單簡并星模型是指一顆CO白矮星和伴星，伴星可能是主序星，紅巨星或者氦星-1714573025，白矮星吸積伴星的物質(zhì)，在其表面燃燒富氫物質(zhì)并不斷增加自身的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量增加到錢德拉塞卡質(zhì)量極限時，就會發(fā)生熱核爆炸。

這兩種模型無論理論上還是觀測上，都有一些優(yōu)缺點，因此如今究竟哪一種模型是Ia型超新星的前身星仍存在爭論。不過，由單簡并星模型計算的光譜和光變曲線與觀測符合地比較好，可以說是比較主流的Ia型超新星前身星的模型。

而目前公認(rèn)的最可能的單簡并星模型的前身星系統(tǒng)，就是超軟X射線源。但是目前超軟X射線源的研究中，準(zhǔn)周期性光變曲線的起源尚不清楚，這讓Ia型超新星前身星的研究再次遇到了障礙。

研究新進(jìn)展帶來“希望的曙光”

值得驕傲的是，在中國科學(xué)院云南天文臺研究人員的努力下，關(guān)于“超軟X射線源的研究中準(zhǔn)周期性光變曲線”這一難題，在近日迎來了全新的突破！

超軟X射線源，是存在吸積和熱核燃燒白矮星的一類特殊密近雙星系統(tǒng)。超軟X射線源由一顆白矮星和一個大質(zhì)量的主序伴星組成，白矮星吸積來自伴星的物質(zhì)并穩(wěn)定燃燒，超軟X射線源的光變曲線表現(xiàn)出明暗交替的準(zhǔn)周期性變化。

根據(jù)觀測，超軟X射線源具有非常明亮的黑體輻射熱光度，但是它的X射線光譜非常軟，在典型的源中，峰值大約在20-80eV, 其黑體輻射溫度在105-106 K. 伴星通常是主序星或者亞巨星，軌道周期分布在幾小時到幾天不等。然而，超軟X射線源的這種準(zhǔn)周期性變化光變曲線的成因仍然不清楚。

為此，我們的研究人員提出超軟X射線周期性照射伴星，導(dǎo)致伴星周期性地膨脹和收縮。因此，雙星物質(zhì)轉(zhuǎn)移速率周期性地增大和減小，導(dǎo)致白矮星光球?qū)又芷谛缘呐蛎浐褪湛s，這很好地再現(xiàn)了超軟X射線源的光變曲線！

超軟X射線照射伴星模型的演化示意圖

（圖片來源：趙偉濤 繪制）

該研究結(jié)果，不僅提供了新的途徑來解釋超軟X射線源中準(zhǔn)周期性光變曲線的起源，同時也為Ia型超新星前身星研究提供了新的研究思路。目前，相關(guān)成果以A robust model for the origin of optical quasi-periodic variability in supersoft X-ray sources為題于近日發(fā)表在《天體與天體物理學(xué)》（A&A）上。

結(jié)語

盡管對于暗能量的研究已經(jīng)持續(xù)了20多年，但科學(xué)家們至今仍然無法準(zhǔn)確地說出它究竟是什么，浩瀚宇宙中人類所探測、了解到的部分，仍然是冰山一角。但在所有科研人員的持續(xù)努力下，人類將繼續(xù)運用自己的智慧探索未知領(lǐng)域，計算、推測未來，去不斷尋找著答案。

相信中國的科研人員也將能夠繼續(xù)用嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的態(tài)度，在天文學(xué)探索領(lǐng)域進(jìn)行不斷的突破，一個個未解之謎，終將逐漸明朗。

編輯：郭雅欣