点亮“标准烛光”，Ia型超新星研究领域有了新突破！

出品：科普中国

作者: 赵伟涛（中国科学院云南天文台）

监制：中国科普博览

被称之为“标准烛光”的Ia型超新星，对于研究宇宙膨胀速度、验证暗能量领域起着至关重要的作用。

超软X射线源，它是Ia型超新星最有可能的前身。研究它将对于我们相关的研究大有帮助。但是，它的准周期性光变曲线的起源仍属于未知范畴。

值得欣喜的是，在关于超软X射线源研究领域，中国科学院云南天文台的研究人员近日取得了一项全新的突破。

主宰宇宙的神秘“暗能量”

近年来，关于暗能量的研究一直都在吸引各国科学家的密切关注。“暗物质”和“暗能量”可能将成为未来科学的核心研究方向。

暗能量，这个比暗物质更神秘，更加摸不着头脑的宇宙神秘能量，很可能就是导致宇宙加速膨胀的关键因素！

（图片来源：Veer图库）

更加令人震惊的是，各国科学家们普遍认为，这个看不见摸不着的暗能量，在宇宙中占据着主导地位。根据2020年底发表在《天体物理学期刊》（The Astrophysical Journal）上的一份研究表示，宇宙由暗能量和其他的各种物质构成，其中暗能量占69%，各种物质占31%。此外，在这些物质中，暗物质占比高达80%。人们所熟悉的其他星体、星系、尘埃和气体等常规物质仅占20%。

也就是说，在宇宙中占比近七成的部分，对于人类来说，仍然是一无所知的神秘领域。

由于暗能量至今无法被直接观测，科学家们目前只能通过间接的方式推测出它们的存在。

那么到底暗能量是如何被证实存在的？想进一步了解暗能量，这几个关键词你一定要知道，它们就是：宇宙膨胀、宇宙常数，以及Ia型超新星。

宇宙常数与爱因斯坦一生中“最大的错误”

宇宙到底是不是永恒不变的？这个论题从古至今，在物理界、数学界、天文界甚至哲学界都存在着各种各样的看法，连牛顿和爱因斯坦都曾经各自有着一套独特的宇宙观，来阐述自己对宇宙“永恒”的理解。

（图片来源：pixabay）

爱因斯坦就曾经提出了“有限无界的静态宇宙”模型：他认为在一定的宇宙尺度下（例如一亿光年），宇宙将不随时间变化而发生变化。甚至为此理论，他在广义相对论中的引力场方程中，引入了“宇宙常数Λ”，以佐证这一观点——“宇宙常数Λ”假设了空间本身有一种内在能量，来抵消大尺度上的物质引力，以此保证宇宙是静止的。

但在大约十年后，这一观点就被“打了脸”。美国天文学家爱德温·哈勃通过观测，并根据星系光谱红移和距离的线性关系，也就是俗称的哈勃定律，正式确定了爱因斯坦提出的静态宇宙模型并不符合实际情况，宇宙正在发生膨胀。甚至还有传闻称，宇宙常数Λ被爱因斯坦称之为自己一生“最大的错误”。

事实上，引入“宇宙常数Λ”之前的引力场方程，恰恰已经能够预示不稳定的宇宙可能会发生膨胀或收缩。

爱因斯坦引入“宇宙常数Λ”前后的引力场方程

根据牛顿万有引力定律，宇宙大爆炸所产生的冲力在引力的作用下和牵制下，宇宙的膨胀速度应该是渐于趋缓直至稳定平衡的。但是在2011年，诺贝尔物理学奖得主们发现，宇宙正在加速膨胀。

科学家们经过一系列观测和计算之后，研究显示宇宙之中应该存在着一种与引力作用方向相反（反引力作用力），至今人类还没有发现的神秘力量！

物理学界把这种与引力作用方向相反、至今人类还未知的、神秘作用力称之为“暗能量”，并且认为正是这种“暗能量”推动宇宙快速膨胀，星系天体快速远离我们。而从这时起，暗能量与宇宙膨胀之间的因果关系，才随着人们的关注逐渐明朗起来。

为了破解暗能量，“宇宙常数”又复活了？

基于暗能量被发现的事实，爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数再次引起了人们的讨论。既然宇宙常数，或者说是暗能量，确实是存在的，它不仅在对抗着宇宙中的引力，并且左右着宇宙的膨胀速率，那爱因斯坦当时真的错了吗？

答案是肯定的。虽然暗能量是引起宇宙膨胀的主因，但当时爱因斯坦引入宇宙常数也只是为了证明宇宙是静止的观点，同时，宇宙常数也证明了爱因斯坦的静态宇宙模型根本不是正确的。

现代科学要基于严谨的观测和计算，在经历了一系列曲折后，正在时间中复活的宇宙常数，有了全新的意义。

在现在的标准宇宙模型ΛCDM中，用来描述宇宙状态的方程主要与三个宇宙学参数有关，即ΩM 宇宙密度参数，ΩΛ 宇宙学归一化常数以及H0哈勃常数。公式中包含的两个主要变量——宇宙学密度参数和哈勃常数都是至关重要的。

顾名思义，暗能量就是宇宙中我们无法看到的神秘能量。既然暗能量是无法直接被观测到的，科学家又要如何计算出宇宙常数的值呢？答案就是——科学家是通过观测遥远的Ia型超新星的红移和星等等信息，假设不同的宇宙学常数模型，再对观测进行拟合，就可以测量出比较精确的宇宙学常数。

标准宇宙模型

（图片来源:wikipedia）

换句话说，天文学家们是根据遥远的超新星的观测，和宇宙微波背景的波动来估算宇宙常数的值的。

此外，宇宙常数的计算还和宇宙中重金属元素的丰度息息相关。现在研究认为，宇宙中的大部分重金属元素（比铁重）是来自于超新星爆炸。超新星爆炸会向宇宙中抛射物质，包括重金属元素，这些重金属元素对星系、星团、恒星，以及行星的形成都十分重要。

综上所述，暗能量的特征可以根据宇宙常数来推测，而宇宙学常数则可以从对Ia型超新星的观测来进行计算。

而在所有的超新星类型中，有一类超新星，是天文学家们观测宇宙膨胀的重要工具。它就是我们即将提到的，Ia型超新星。

Ia型超新星：研究宇宙膨胀的“希望之光”

Ia型超新星可以说是当前国际天文界中的“热门选手”，假如相关学术界有课题热搜榜，它一定榜上有名。

Ia型超新星的光谱中没有氢线和氦线，且具有基本相同的峰值光度，因此它也被称为是“标准烛光”。根据在地球上观测到的不同的Ia型超新星光度，我们就可以知道它们离我们的距离。

科学家根据这个原理，通过观测Ia型超新星的光度曲线和红移值，发现了Ia型超新星离我们越来越远，且速度越来越快——这就意味着宇宙在加速膨胀。而推动宇宙加速膨胀的这个未知力量，正是“暗能量”。

而天文界“网红”Ia型新星的作用也是杠杠的——在计算哈勃常数H0，以及宇宙学参数ΩM和ΩΛ 时，人们需要知道Ia型超新星的诞生率等信息，而这些与Ia型超新星的前身星息息相关；星系的演化也需要Ia型超新星的核合成物、抛射物的动能以及辐射作为物理输入；对Ia型超新星的爆炸模型的模拟和理解，可以得知发生爆炸前的初始条件和发生爆炸时的环境；Ia型超新星的前身星的证认对于双星演化理论可以提供合理的限制。

因此，我们想让Ia型超新星在研究中发挥更大的作用，就需要详细地了解Ia型超新星的前身星。但是目前为止，人们仍然不清楚Ia型超新星的前身星模型。

Ia型超新星的“前世”与超软X射线源

在过去的几十年里，人们对于Ia型超新星的前身星提出了很多种理论，其中单简并星模型和双简并星模型是目前最流行的两种模型。

两种前身星模型示意图

左：单简并星模型；右：双简并星模型。

（图片来源:NASA）

双简并星模型是指两个CO白矮星相互旋转，由于引力波辐射而不断损失角动量，最终合并成一个新的CO白矮星。如果合并后总质量超过钱德拉塞卡质量极限，就会发生Ia型超新星爆炸。

单简并星模型是指一颗CO白矮星和伴星，伴星可能是主序星，红巨星或者氦星-1714573025，白矮星吸积伴星的物质，在其表面燃烧富氢物质并不断增加自身的质量。当质量增加到钱德拉塞卡质量极限时，就会发生热核爆炸。

这两种模型无论理论上还是观测上，都有一些优缺点，因此如今究竟哪一种模型是Ia型超新星的前身星仍存在争论。不过，由单简并星模型计算的光谱和光变曲线与观测符合地比较好，可以说是比较主流的Ia型超新星前身星的模型。

而目前公认的最可能的单简并星模型的前身星系统，就是超软X射线源。但是目前超软X射线源的研究中，准周期性光变曲线的起源尚不清楚，这让Ia型超新星前身星的研究再次遇到了障碍。

研究新进展带来“希望的曙光”

值得骄傲的是，在中国科学院云南天文台研究人员的努力下，关于“超软X射线源的研究中准周期性光变曲线”这一难题，在近日迎来了全新的突破！

超软X射线源，是存在吸积和热核燃烧白矮星的一类特殊密近双星系统。超软X射线源由一颗白矮星和一个大质量的主序伴星组成，白矮星吸积来自伴星的物质并稳定燃烧，超软X射线源的光变曲线表现出明暗交替的准周期性变化。

根据观测，超软X射线源具有非常明亮的黑体辐射热光度，但是它的X射线光谱非常软，在典型的源中，峰值大约在20-80eV, 其黑体辐射温度在105-106 K. 伴星通常是主序星或者亚巨星，轨道周期分布在几小时到几天不等。然而，超软X射线源的这种准周期性变化光变曲线的成因仍然不清楚。

为此，我们的研究人员提出超软X射线周期性照射伴星，导致伴星周期性地膨胀和收缩。因此，双星物质转移速率周期性地增大和减小，导致白矮星光球层周期性的膨胀和收缩，这很好地再现了超软X射线源的光变曲线！

超软X射线照射伴星模型的演化示意图

（图片来源：赵伟涛 绘制）

该研究结果，不仅提供了新的途径来解释超软X射线源中准周期性光变曲线的起源，同时也为Ia型超新星前身星研究提供了新的研究思路。目前，相关成果以A robust model for the origin of optical quasi-periodic variability in supersoft X-ray sources为题于近日发表在《天体与天体物理学》（A&A）上。

结语

尽管对于暗能量的研究已经持续了20多年，但科学家们至今仍然无法准确地说出它究竟是什么，浩瀚宇宙中人类所探测、了解到的部分，仍然是冰山一角。但在所有科研人员的持续努力下，人类将继续运用自己的智慧探索未知领域，计算、推测未来，去不断寻找着答案。

相信中国的科研人员也将能够继续用严谨、科学的态度，在天文学探索领域进行不断的突破，一个个未解之谜，终将逐渐明朗。

编辑：郭雅欣

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