如果Ia型超新星這個「標準蠟燭」並不標準,那暗能量還存在嗎?

2020-12-05 李論科學

Ia型超新星的形成需要一個雙星系統,一個是巨星,一個是白矮星。質量極大的白矮星吸取巨星的物質(主要是氫),當達到1.44個太陽質量時,會發生失控的核聚變,爆炸後沒有遺留產物。

20世紀是一個基礎科學高產的世紀,每隔一段時間,就會出現一些驚天動地的發現,永遠地改變我們對宇宙的看法。早在20世紀90年代末,對遙遠超新星的觀測清楚地表明,宇宙不僅在膨脹,而且離我們越遠的天體正在加速遠離我們。這是一項獲得諾貝爾獎的發現,它不僅告訴了我們宇宙的命運,而且還指出了宇宙中存在著大量的暗能量。

僅就一項超新星數據就得出了如此重要的結論,那如果我們對超新星的理解有誤,它作為「標準燭光」讓我們得出了錯誤的天體距離,那麼宇宙是否還在加速膨脹?暗能量是否仍然存在?

為了回答這個問題,讓我們先回到100年前看看哈勃當時如何發現宇宙在膨脹,以及他又犯了什麼錯誤!

1923年,埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)開始著手研究天空中模糊的「螺旋狀星雲」,並觀察其中的新星,以試圖增加人們對這些未知天體的認知。當時一些人認為它們是銀河系中的原恆星,而另一些人則認為它們是宇宙島嶼,距離我們的銀河係數百萬光年,由數十億顆恆星組成。

那一年的10月6日,哈勃正在觀察仙女座大星雲,他看到一系列新星爆發事件,第一顆,然後是第二顆,然後是第三顆。緊接著一件前所未有的事情發生了:第四顆新星爆發的位置竟然與第一顆新星位置相同。

新星爆發確實會在同一位置重複的發生,但這通常需要幾百年或幾千年的時間,因為新星是一顆坍縮的白矮星緩慢地吸積周圍或者伴星的燃料,等積聚到足夠的質量時,在其表面點燃核聚變,一般這種吸積的過程都比較緩慢。在我們所發現的所有新星中,即使是最迅速的吸積燃料也需要很多年才能再次爆發。一顆新星只需要幾個小時就可以重複的出現?這顯然不可能。

當時哈勃知道有種天體可以在幾小時內從亮變暗再變亮:那就是變星!(因此,他在上圖中把「N」劃掉(nova新星),激動地寫下了「VAR!」)

美國天文學家勒維特(Henrietta Leavitt)在哈勃之前就對大麥哲倫星雲中的大量變星做了研究,她發現造父變星(Cepheid variable stars)在某一特定周期會變亮或變暗,而這一周期與變星的內在亮度有關。也就時說如果我們測量變星的光度變化周期,就可以知道變星的內稟亮度,這個關係就是我們熟知的周光關係。而且我們還可以很容易地測量出變星的表光亮度,根據內稟亮度和表觀亮度就可以知道這個恆星離我們有多遠,因為在幾百年前我們就已經知道了亮度/距離的關係!(距離的平方反比關係)

所以,哈勃就利用已知關於變星的知識以及在螺旋狀星雲(現在稱為星系)中發現的變星來測量星系與我們的距離。然後,哈勃再將已知的紅移效應與星系的距離結合起來,就得出了哈勃定律,並計算出了宇宙的膨脹率。

但不幸的是,哈勃當時得出來的關於膨脹率的數據完全是錯誤的!不過我們現在經常會忽略哈勃這個錯誤地數據,依然認為他是正確的。為什麼呢?

因為哈勃當時在星系中測量的造父變星與亨麗埃塔·勒維特測量的造父變星有著本質上的不同。後來我們才知道造父變星其實分為兩類,但當時哈勃並不知情。雖然哈勃定律仍然成立,但他對距離的最初估計太低了,所以他對宇宙膨脹率的估計就太高了。隨著時間的推移,我們得到了正確的結論,雖然整體的結論(宇宙在膨脹、螺旋狀星雲是遠遠超出銀河系的獨立星系)沒有改變,但膨脹的細節確實改變了!所以我們依據認為哈勃是正確的。

現在,我們回到今天。如果超新星的數據是錯誤的,那我們今天認為的加速膨脹的宇宙和暗能量是否正確?

近幾年我們確實發現了不同類型的Ia型超新星

宇宙的量天尺,從視差法到造父變星距離是越來越遠,但是更遠的距離造父變星的光度也會太暗無法測量。但超新星比造父變星要亮得多,它的亮度經常會超過(短暫的超過)整個星系。在數百萬光年之外,(超過100億光年的距離)它們也可以被觀測到,這讓我們可以探索越來越遠的宇宙。另外,一種特殊類型的超新星(Ia型超新星),產生於白矮星內部失控的聚變反應。

當Ia型超新星爆發時,整個恆星都會被摧毀。但更重要的是,我們一直認為Ia型超新星有著固定的光度曲線,由於爆發時白矮星的質量總是太陽的1.4倍,故其光度是一定的。

到20世紀90年代末,在足夠大的距離上收集了足夠多的Ia型超新星數據,當時兩個獨立的團隊(高z超新星搜索團隊和超新星宇宙學項目)都宣布,基於這些數據,宇宙的膨脹正在加速膨脹,並且存在某種形式的暗能量支配著宇宙。

當時許多人對此持懷疑態度,如果我們對Ia型超新星的理解有誤,就像哈勃當時對變星的理解有誤,那麼宇宙加速膨脹、暗能量的存在、宇宙的終極命運,這些結論都會存在問題。

首先,超新星的產生有兩種不同的方式:來自伴星的物質的吸積(L)和來自與另一顆白矮星的合併(R)。這兩種方式會產生同一類型的Ia型超新星嗎?

另一方面,這些距離很遠的超新星可能發生在非常不同的環境中,也就是說與我們周圍的環境不同。Ia型超新星爆發時所產生的光度曲線與我們今天看到的光度曲線相同嗎?

還有一種可能是,當光從很遠的地方到達我們的眼睛時,會不會發生一些意想不到的變化?

事實證明,這些問題都不是問題,已經被科學家排除在外了。但是如果我們發現這些所謂的「標準蠟燭」可能並不那麼標準。就像造父變星有不同的種類一樣,Ia型超新星也有不同的種類。

想像一下,現在有一盒蠟燭,我們認為它們彼此之間都是一樣的,然後點燃這些蠟燭,並把它們放在不同的距離上,我們僅需要測量觀測到的蠟燭亮度,就可以知道它們離我們有多遠。這是天文學中「標準燭光」背後的科學理念,也是通過Ia型超新星觀測星系距離的原理。

現在想像一下,如果這些蠟燭的火焰亮度並不完全一樣!有兩種類型的蠟燭,有些亮,有些暗。在我們附近可能有更多比較亮的蠟燭,在遠處可能有更多比較暗的蠟燭。

在近幾年我們確實發現了有兩種不同的類型的超新星,一種在藍色/紫外線下稍亮,另一種在紅色/紅外線下稍亮,它們所遵循的光曲線略有不同。這可能意味著,在測量高紅移(大距離)星系時,我們發現的超新星實際上是在本質上亮度更弱,而不是因為它們離我們更遠。也就是說我們可能通過這些標準燭光測得的星系距離有誤!

換句話說,我們得出的結論:宇宙正在加速膨脹,可能是基於對數據的誤解!

如果我們真的把這些超新星的距離搞錯了,我們可能會把宇宙的膨脹率搞錯,那麼暗能量的含量也可能是錯的!更大的問題是,可能不存在暗能量。較小的問題是,暗能量仍然存在,但暗能量可能比我們先前認為的要少。

那麼,這兩個問題哪一個合理?其實是小問題!因為在1998年以前,我們只有超新星的數據指向了暗能量。但隨著時間的推移,我們獲得了另外兩項數量,它們提供了同樣有力的證據,證明了暗能量的存在,以及其含量的正確性。

雖然超新星數據存在微小的差異,但還有其他證據表明暗能量的存在

宇宙微波背景(CMB)WMAP和後來的更高精度的普朗克(Planck)測量了大爆炸遺留下來的輝光,它們的波動強烈地表明,宇宙大約是5%的正常物質,27%的暗物質,約68%的暗能量。雖然微波背景本身並不能很好地告訴我們暗能量的性質是什麼,但它確實告訴了我們,宇宙中大約2/3的能量以非塊狀和大質量的形式存在。

星系聚集的方式。在早期宇宙中,暗物質和普通物質的含量以及它們如何與輻射相互作用,決定了今天宇宙中的星系是如何聚集在一起的。如果今天我們在宇宙的任何地方看到一個星系,有一種奇怪的性質,那就是我們更有可能在離它5億光年遠的地方看到另一個星系,而不是在距離它4億光年或6億光年遠的地方。這是由於一種被稱為重子聲振蕩的現象(BAO),因為在氣體雲一開始聚集成星系時,正常物質會被輻射推出去,而暗物質則不會。

那麼這個星系之間的特定距離就暗示了宇宙的膨脹率。如果當宇宙膨脹率發生變化,那5億光年的平均尺度也會發生變化。和「標準蠟燭」相比,BAO是一個更「標準的尺子」,我們也可以用它來測量暗能量。

事實證明,來自BAO的測量結果目前和來自超新星的測量結果一樣好,而且似乎給出了同樣的結果:一個宇宙大約有70%的暗能量,並且與宇宙常數一致。

事實上,如果我們把這三個數據集結合起來,我們會發現它們都指向大致相同的圖景。

我們從中了解到,暗能量的實際數量和我們從超新星中推斷出的暗能量類型可能會以一種微妙的方式發生微小的變化,而這實際上可能有利於使這三種方法(超新星、宇宙微波背景輻射和BAO)更好地協調一致。因此一個錯誤的假設不會導致所有的結果和結論都是錯誤的,而是幫助我們更準確地理解一個自我們首次發現以來就困惑我們的現象。

因此暗能量是真實存在的,雖然我們發現了Ia型超新星存在不同的類型,其作為標準燭光可能會影響我們對星系距離的判斷,但這種微小的變化並不意味著以前的科學結論是錯誤的。

相關焦點

  • 標準燭光不標準,la型超新星爆發有不同形式,暗能量模型需要修正
    似乎有一種推動宇宙膨脹的暗能量。另一方面,當我們以不同的方式衡量宇宙膨脹時,我們得到的數值並不完全一致。一些方法取得較高的暗能量值,而其他方法則取得較低的值。如果我們要解決這個謎團,那麼將需要付出一些努力。顯而易見的答案是,某些宇宙膨脹測量必定是錯誤的。這種想法的困難在於這些測量值非常可靠,並且已經過多次測試。它們也相對相似。多年來,測量結果的不確定性足夠大,以至於它們的結果會重疊。
  • 最新實驗證明:暗能量並不存在!
    不幸的是,沒人理解為什麼宇宙常數應該存在,更不用說為什麼它具有正確的值來引起觀測到的宇宙的加速度膨脹。另一種解釋來自量子理論。在這個理論中,「空間」實際上充滿了不斷形成然後消失的臨時「虛擬」粒子。但是,當物理學家試圖計算出這將給「空間」帶來多少能量時,答案出錯了-而且錯了很多。這個數字太大了10120倍。那是一個1,後面有120個零。
  • 一項新研究聲稱可以反駁暗能量,但宇宙學家並不相信
    ,那將是令人異常興奮。科學家使用一種名為1a型超新星作為「標準蠟燭」,他們非常了解這些超新星的亮度,所以他們可以輕鬆地根據超新星在地球出現的亮度,計算出地球與該超新星的距離。然後,由於早期宇宙冷卻過程中,振動波動鎖定在適當位置,從而留下的印記分布在正常物質上,這種印記可供科學家用於天空測量的一種尺子。科學家有關距離的了解,有助於他們計算宇宙的膨脹,從而進一步提供暗能量存在的證據。
  • 暗能量繪圖儀將還原宇宙110億年歷史,暗能量究竟是什麼?
    一種辦法就是通過所謂「標準燭光」來測量距離。什麼叫標準燭光呢?在19世紀的時候,人們為了研究光學,發明了一種比較標準的蠟燭,這些蠟燭點出來以後,光的亮度都是一樣的。我們把它放在不同的距離上,可以看到越遠的蠟燭看上去越暗一些,這就是標準燭光的作用。就是我們知道它的絕對發光亮度,又可以測出它看上去有多亮,根據這兩者之間進行比較,我們就可以知道天體到底有多遠了。
  • 暗能量真的存在嗎?
    超新星亮度上的細微差異,曾讓天文學家得出結論:構成宇宙的所有物質成分當中,有70%是完全未知的。也就是說,空間中充斥著一種不同於其他任何物質的成分——它們始終推動著宇宙膨脹,而不像其他物質那樣阻礙膨脹。這種成分被稱為暗能量(dark energy)。暗能量真的存在嗎?
  • 暗能量有多奇異?就是它讓宇宙加速膨脹
    在19世紀的時候,人們為了研究光學,發明了一種比較標準的蠟燭,這些蠟燭點出來以後,光的亮度都是一樣的。科學家們找到了一種這樣的「蠟燭」,這個「蠟燭「就是Ia型的超新星。我們需要在非常遠的地方找到這樣的超新星。天文學家在漫天星鬥中尋找這種超新星,可能就是有一個地方稍微亮了一點兒,亮的那一點兒實際上就是個超新星。
  • 宇宙或將在永恆的孤寂中結束,除非能解開暗能量之謎
    一種辦法就是通過所謂「標準燭光」來測量距離。什麼叫標準燭光呢?在19世紀的時候,人們為了研究光學,發明了一種比較標準的蠟燭,這些蠟燭點出來以後,光的亮度都是一樣的。把它放在不同的距離上,可以看到,越遠的蠟燭看上去越暗一些,這就是標準燭光的作用。
  • 最新研究表明,暗能量可能不是一個常數,這將影響宇宙的最終命運
    剩下的68%是暗能量,暗能量似乎是宇宙本身固有的一種能量形式。一組新的觀測結果正在挑戰人們目前對暗能量的看法。如果它堅持下去,人們所知道的一切都會改變。沒有暗能量,宇宙就不會加速。但是,要解釋遙遠的超新星,以及其他特徵,暗能量或與之完全相似的東西似乎是必要的。
  • 韓國科學家指出,暗能量根本就不存在,宇宙也沒有加速膨脹
    這種對應關係可以用一個簡單的場景來說明,比如說我們將一列有一定間距的、規格相同的蠟燭同時點燃,然後站在這個蠟燭隊列的一端來觀察,這時我們就會發現,雖然這些蠟燭的亮度是基本上一樣的,但是在我們的眼中,離我們越遠的蠟燭,其發出的光就越黯淡,根據某根蠟燭的明暗程度,我們就可以計算出這根蠟燭與我們之間的距離。
  • 暗能量或許根本就不存在?
    談到暗能量,我們還得追溯到上個世紀九十年代末。1998年,布萊恩·施密特、亞當·裡斯和薩爾·玻爾馬特三位天文學家通過分析宇宙中的Ia型超新星得到了一個驚人的發現——我們的宇宙不僅在膨脹,膨脹速率還在不斷加快。於是,科學家對此提出了暗能量的猜想,用以解釋宇宙的加速膨脹。從此以後,暗能量被科學家廣泛接受,並成為了宇宙學標準模型的重要組成部分。
  • 宇宙的暗能量看不見,摸不著,那它存在嗎?我們又該如何去發現它
    我談論過天文學家是如何知道暗能量的存在的。即使他們看不見暗能量,但他們可以通過重力對光的影響來探測它。在宇宙中暗物質所佔的比例為27%,暗能量所佔的比例為68%。暗能量到底是什麼天文學家也不知道,他們唯一能確定的就是暗能量確實存在。這麼說吧宇宙中95%的物質都是個迷。我們還不知道那些是些什麼物質。所以這次,我們只把注意力放在暗能量上。
  • 2020年重磅消息:暗能量不存在,震動科學界!
    因此,它們成為可以用來測定距離的「標準燭光」。自138億年前的大爆炸後,它就在持續向外膨脹,所有其他天體都在遠離我們而去。類似於都卜勒效應,對於正在遠離我們的物體,我們看見的光線波長被拉長了,向波長更長的紅光偏移。這個現象,就是紅移。
  • 暗能量神秘弱點解釋超新星為何無法湮滅人類
    北京時間5月10日消息,據國外媒體報導,人類在宇宙中的存在是顯而易見的,目前,科學家基於人類觀測者存活和人類未被超新星爆炸湮沒的事實依據
  • 新的證據表明,暗能量的關鍵假設是錯誤的
    這種對應關係可以用一個簡單的場景來說明,比如說我們將一列有一定間距的、規格相同的蠟燭同時點燃,然後站在這個蠟燭隊列的一端來觀察,這時我們就會發現,雖然這些蠟燭的亮度是基本上一樣的,但是在我們的眼中,離我們越遠的蠟燭,其發出的光就越黯淡,根據某根蠟燭的明暗程度,我們就可以計算出這根蠟燭與我們之間的距離。
  • 它為何能稱為宇宙的「標準尺」?
    正如超新星可以作為標準燭光, 重子聲學振蕩的物質成團性也可以作為測量宇宙學距離的標準尺。重子聲學振蕩名字聽起來高端,其實它就是一個了解宇宙膨脹歷史的科學測量方法!今天就了解下它為何物?想像一下你正在觀察宇宙,在宇宙中你會看到一些光點,包括行星、恆星、星系、星系團等等,如果你想用自己所看到的東西來測量宇宙在過去到現在的每時每刻是如何膨脹的。你會怎麼做?
  • 早期的暗能量模型可以解決不斷膨脹的宇宙學難題
    作為該力的佔位符或代理,暗能量(一種光滑的類流體成分,用負壓填充宇宙)已插入具有定義該加速度的宇宙常數(用符號Lambda表示)的標準宇宙學模型中。但是,宇宙這一重要元素的真實本質仍在逃避我們。該研究的通訊作者加西亞說,「這個理論模型為當前宇宙的加速膨脹提供了可能的解釋。」她繼續解釋說,本文的新穎之處在於,它可能不需要描述宇宙能量來描述暗能量,從而避免了它所帶來的一些困難,即該常數的理論預測與其實驗值之間的巨大差異。
  • 暗能量只有一種嗎?
    版權:©波恩大學/ K.Migkas等暗能量,這個由我們賦予解釋當前宇宙加速膨脹現象的神秘名詞到底隱藏著什麼,我們還不得而知。許多理論物理學家認為暗能量的驅動力是某種量子場,但這些想法很難與弦理論的見解相協調。新的研究則提出了一個激進的解決方案:如果作為宇宙要素的暗能量不止一種,又會如何?
  • 最新「哈勃常數」測量表明:宇宙「標準模型」本身可能出了問題!
    這個問題是存在於模型本身,還是存在於用於測試它的測量結果。研究使用了一種完全獨立於所有其他測量技術的距離測量技術,縮小了實測值和預測值之間的差距,很可能是預測中涉及的基本宇宙學模型存在問題。 標準蠟燭 這種效應被稱為視差,第一次這樣測量恆星的視差距離是在1838年。在銀河系之外,視差太小而無法測量,所以天文學家們依賴於被稱為「標準蠟燭」天體,之所以這樣命名,是因為天文學家假定它們的固有亮度是已知的。到已知亮度物體的距離可以根據該物體從地球上看起來有多暗來計算。
  • 如果天狼星B爆炸成Ia型超新星,它看起來會有多亮?
    天狼星雙星系統 如果天狼星B發生超新星爆發,它必然會成為夜空中最亮的恆星但由於天狼星A的存在,使得天狼星B可能有著另一種結局。
  • 有人說暗能量不存在?這可不一定
    換句話說,通過測量這些超新星在遠離我們時發出的光是如何變化的,科學家們可以計算出它們離我們有多遠,因此,宇宙是如何隨著時間的推移「向外推擠」或膨脹的。這一證明基於這樣一種假設,即超新星的光度,或者說亮度,不隨紅移而演化,也不隨宇宙時間推移而變化。如果像科學家們預估的那樣,暗能量確實存在,那麼宇宙將越來越快地持續擴張。