Ia型超新星擁有的特點和錢德拉塞卡質量極限是有關的

【作者：黃媂】

無論是暗物質還是正常物質它們都提供了引力，所以從這個角度來講宇宙的演化是一個減速膨脹的，而最終演化的結果宇宙將來要麼會收縮，要麼膨脹的速度會越來越慢。

描述宇宙的演化可以用一個方程來表達，這個方程就是Ωm+Ω∧+Ωk=1，Ωm和Ω∧分別代表的是宇宙裡面物質的密度和暗能量的密度，Ωk反映的是宇宙的位形，目前關於宇宙有非常有利的證據來表明宇宙是平直的，所以Ωk非常接近於0，如果Ω∧也是0的話，那麼就意味著宇宙裡面只有正常物質和暗物質，所以宇宙必定會發生減速膨脹。

圖解：宇宙演化的方程

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檢驗宇宙減速膨脹這個觀點，可以用『標準燭光』來進行觀測驗證

在離我們一個特定距離的位置上面，如果有那麼一個標準燭光，觀察它到底有多亮，那麼就告可以知道它與我們之間的距離有多遠，如果我們在一個更遠的距離上面去看這個標準燭光，可以得到一個類似的距離測定，實際上它也反映了宇宙的膨脹以及膨脹的快慢，所以就是利用標準燭光的測量來限制宇宙演化的趨勢。

通過觀測處於不同紅移的標準燭光源的亮度，就可以去判別宇宙到底是勻速膨脹還是加速膨脹或者是減速膨脹，所以要求標準燭光源的光度要非常高，這樣子才能在很遠的地方能夠看到它，目前使用最主要的標準燭光源就是『Ia型超新星』。

『造父變星』也是一種很好的燭光源，但是它的適用範圍也只能到百萬光年這樣的量級，如果要去看遙遠的天體，這個時候就需要更加明亮的標準燭光源，而Ia型超新星就是個非常完美的天體。

圖解：Ia型超新星光度對比

• Ia型超新星是一個什麼樣的爆發

一個包含了碳和氧的『白矮星』，如果它的質量達到了『錢德拉塞卡質量極限』，這個時候的白矮星就會變得不穩定，內部的碳就會發生核聚變的反應，這種反應是爆發式的，最終會把整個星體給炸碎了，同時釋放非常劇烈的能量。

Ia型超新星有一個非常重要的特徵，就是它不僅明亮而且它極大的光度是高度一致的，大約是100億倍的太陽光度， Ia型超新星擁有的特點和錢德拉塞卡質量極限是有關的，因為達到這個極限質量之後白矮星就會發生爆發，所以可以利用這樣的特徵觀測Ia型超新星，來測定超新星以及超新星所處的星系離我們的距離。

圖解：超新星1994D

• 白矮星的質量達到錢德拉塞卡質量極限的物理過程

兩種產生Ia型超新星爆發的渠道，它們都是在雙星系統裡面發生的：

1.一種可能性是：一顆白矮星從一個正常的恆星那裡捕獲物質然後質量不斷地增大，最終達到錢德拉塞卡質量極限。

2.另外一種是：在雙星系統裡面兩顆都是白矮星，它們通過相互的併合，最後錢德拉塞卡質量極限然後發生了爆炸。

所以在尋找Ia型超新星的時候，就需要對整個天區做大規模的搜索，這個過程稱為叫做『巡天』，因為不知道超新星何時、何地會發生，所以只有對大天區進行長時間的監測。下面給大家展示一個例子：

照片右上方幾張小的圖片裡面，最左邊的是超新星爆發前的那個小天區放大的圖像，就是兩個水平箭頭所指的那個區域，通過對它長時間的監測發現在某一個時刻它突然變亮了，就是右邊小圖片所展示的，它持續明亮了一段時間然後慢慢地暗淡了，最下方的小圖裡面展示了它在爆發之後的圖像。

所以通過它的增量再到變暗整個過程，就可以把Ia型超新星的光變曲線畫出來了，得到它的光變曲線就可以確定它極大的光度，通過它的亮度 來反推它的距離，這是檢驗宇宙膨脹的一個重要的手段。

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研究暗能量重大的突破

在做超新星巡天工作的團隊有兩個，一個團隊叫做『超新星宇宙學』這是由『佩爾馬特』所領導的，另一個團隊叫做『高紅移超新星搜尋』這是由『施密特』領導的，這兩個團隊在上個世紀的90年代都開始了對超新星的巡天展開了工作，但是在幾年的工作時間裡面並沒有得到非常好的結果，這兩個團隊當時都面臨著非常大的困難，團隊幾乎要被解散了， 轉機發生在1998年，這個時候兩個團隊都取得了重大的突破。

1998年的時候『超新星宇宙學』團隊首先發表了一篇重要的工作成果，成果就是這個團隊對於紅移在0.83的Ia型超新星的觀測結果，觀測表明在宇宙的成分裡面可能存在一種我們未知的量，這個量就是『Ω∧』和Ωm，也就是暗能量的密度和物質密度這兩者可能分布的空間，Ω∧的分布裡面它有相當大的概率是大於0的，或者說它是真實存在的，但是並不是特別的確定啊，所以這個團隊在文章的摘要最後給出了一段話：「這些結果暗示我們也許生活在一個低物質密度的宇宙中。」

低物質密度，指的是所有的物質加起來的密度比較低，所以需要額外的暗能量的密度成分。

繼『超新星宇宙學』團隊發表成果後不久，『高紅移超新星搜尋』團隊也發表了一篇文章，這篇文章給暗能量的存在提供了更加有力的證據。『高紅移超新星搜尋』團隊的研究結果表明在宇宙裡面物質和暗能量各佔大約24%和76%。

圖解：左圖/『高紅移超新星搜尋』團隊觀測的結果，右圖/理論模型

這兩個團隊的結果都相繼地進一步證實了暗能量的存在，很顯然『高紅移超新星搜尋』團隊的觀測更加支持加速膨脹，宇宙一開始是引力佔主導地位的，但是慢慢地隨著宇宙膨脹之後，引力所起的斥力開始變得越來越強，最終斥力擺脫了引力使得宇宙膨脹的速度的變得越來越快，因此這兩個團隊的領導人『佩爾馬特』和『施密特』在2011年都獲得了諾貝爾的物理學獎。

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斥力具有負壓強的特徵，天文學家把這種特殊性質的力，稱為『暗能量』

宇宙加速膨脹這個事實表明在宇宙裡面存在著一種超過引力的長程斥力，這種斥力具有負壓強的特徵。

根據我們的日常生活經驗，如果向下擠壓活塞，活塞內部容器裡面的氣體受到擠壓之後會產生一個壓強會抵抗向下的擠壓，並且向下的力量越大它的體積越小，所受到的抵抗力就應該越強，這就意味著體積越小壓強應該越大。但是負壓強恰好相反，如果向上提升活塞，內部的空間變大了，壓強也跟著變大了，所以天文學家就把這種具有特殊性質的力，稱為『暗能量』。

Ia型超新星的觀測提供了暗能量存在的證據和它可能的參數分布，但是它還不能給出一個非常確切的分布範圍，所以還要藉助於其他的方式來研究暗能量的性質，目前相信暗能量存在的證據主要利用Ia型超新星、宇宙微波背景輻射、宇宙的大尺度結構這幾種方式綜合之後得到暗能量它的可能分布。

在宇宙裡面成分最多的就是暗能量它達到了68.3%，其次是暗物質達到了26.8%，而正常物質只有4.9%，所以整個宇宙裡面真正能夠通過電磁輻射來進行研究的正常物質只佔整個宇宙的不到5%。

圖解：藍色/Ia型超新星，橙色/宇宙微波背景輻射，綠色/宇宙的大尺度結構

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『黃媂』總結：暗能量·認識宇宙的又一次飛躍

暗能量是什麼呢？物理學家們提出了很多可能的解釋，比如說暗能量可能是愛因斯坦當時提出來的宇宙學常數，或許也有可能是『真空能』，也有可能跟其他更加怪異的一些理論有關係，但是現在都很難去判定，正如『賈島』的一句詩所言：

「只在此山中，雲深不知處。」

我們知道暗能量在哪，但是我們不清楚它到底性質是什麼樣子的，但是很顯然暗物質和暗能量它們的本質對於物理學和天文學的研究具有非常重大的意義，是21世紀物理學最重大的兩個科學問題，儘管今天還不能夠真正揭示它們的本質，但是未來如果有一天我們真的能夠知道暗物質和暗能量它們的組成成分到底是什麼來構成的話，這個將會是我們對於宇宙認識的又一次飛躍，它將會導致一場新的物理學和天文學的革命。

【作者：太空生物學·黃媂】

【編輯：天體生物學·黃姤】

【旁述：餘生】

【黃媂】【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點讚.評論.轉發.關注互相學習。

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