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暗能量是種錯覺?
暗能量是種錯覺?
中科院物理所     阅读简体中文版

自1998年天文學家宣布宇宙在加速膨脹以來,人們就把幕后推手鎖定為一種叫“暗能量”的東西。于是,一場尋找暗能量性質和來源的活動就轟轟烈烈地展開了。可是,事情還沒有個眉目,現在一個新的發現又讓天文學家打了個寒戰:宇宙中存在著一類違反常規的超新星!這樣一來,他們就不能不懷疑,自己辛辛苦苦找了十多年的暗能量會不會只是一個錯覺?若是錯覺,那2011年的諾貝爾物理學獎都該收回去了。


為什么發現一類新的超新星天文學家就這么大驚小怪呢?


超新星與加速膨脹的宇宙

這種新發現的超新星被稱為“Ia型超新星”,是由白矮星劇烈爆炸而產生的。白矮星是完成正常的生命周期程序、已經停止核聚變的恒星,為什么還能發生劇烈爆炸呢?在宇宙中,恒星以“單身”的形式存在是較為罕見的,多數都以雙星系統而存在。如果一對恒星中,一顆坍縮成了白矮星,它就開始吞噬伴星物質。當吞噬到一定程度,白矮星內部的核聚變瞬間又被重新點燃,于是變成一顆超級明亮的天體——Ia型超新星。

因為Ia型超新星總是在白矮星處于相同階段時爆發,所以爆發時有著大致相同的光度。既然大家光度是一樣的,那么我們實際看到的它們的明暗(即亮度)就只跟它們離開我們的遠近有關。這樣,Ia型超新星在天空中的亮度就可作為一把“量天尺”,確定超新星所在的星系離開我們的距離。

當然,宇宙中還有別種類型的超新星存在,它們的爆發無規律可循,所以做不了“量天尺”;但因為它們的化學組成跟Ia型超新星不同,我們可以根據光譜就把它們跟Ia型超新星區別開來。

正是基于上述原因,導致了1998年的驚人發現。之前,雖然宇宙在膨脹是盡人皆知的事實,但教科書上的看法是,膨脹在引力的“剎車”作用下,應該在逐漸減慢。可是1998年,國際上兩個獨立的小組發現,某些Ia型超新星距離我們比原先設想的要遠。這什么意思呢?如果假設宇宙在勻速膨脹,根據計算,某顆超新星跟我們有個距離A,但實際測到的是距離B,且B大于A。那么只有一種可能:宇宙既沒有在減速膨脹,也沒有在勻速膨脹,而是一反常態在加速膨脹。

雖然大家一時不知道宇宙為何會加速膨脹,但相信必有某種東西在暗中起作用。這種東西被稱為“暗能量”。2011年,發現宇宙在加速膨脹的科學家被授予諾貝爾物理學獎。


“另類”超新星讓暗能量成了問題

可是,正當大家把當初覺得不可思議的“宇宙在加速膨脹”接受為鐵板釘釘的事實的時候,有人又出來攪渾水了。2006年,美國天文學家安迪·豪威爾在一次國際會議上提交了一篇論文,在文中他描述了一顆2003年爆發的Ia型超新星SNLS-03D3bb。這顆超新星不可理解之處在于它異常明亮,其光度明顯超過了其它Ia型超新星。

這個發現的重要性是不言而喻的。我們從前面已經知道,天文學家之所以要提出個“暗能量”,是因為發現宇宙在加速膨脹。為什么宇宙在加速膨脹呢?因為作為“量天尺”的Ia型超新星離開我們的距離比原先設想的要遠。為什么Ia型超新星可以作為宇宙的“量天尺”呢?因為這類超新星的光度都是基本一致的。可如今,這個一致性被打破了,Ia型超新星用作“量天尺”還能準確嗎?如此反推回去,宇宙在加速膨脹是否實有其事也成問題了,暗能量就更不用說了。

當理論家們在討論這一切是怎么可能的時候,在隨后的5年里,越來越多光度較大的Ia型超新星冒出來。在調查過的1000多顆Ia型超新星中,大約有1%的光度比較大。不算多,是不是?但足以讓人提出一個問題:宇宙膨脹在加速的結論還靠得住嗎?暗能量會不會是一個錯覺?2011年的諾貝爾物理學獎是不是該收回去?

當然,現在就回答這些問題還為時尚早。首先,畢竟“另類”Ia型超新星在所有Ia型超新星中所占比例只有1%。我們先要搞清楚,做出“宇宙在加速膨脹”這個發現的天文學家,當初選做“量天尺”之用的Ia型超新星里,有沒有包含這種“另類”?如果沒有,謝天謝地,“宇宙在加速膨脹”的結論依然成立;如果有,那就有點麻煩了,需要重新考察。但困難在于,Ia型超新星離開我們越遠,要判斷它是一顆普通還是“另類”Ia型超新星就越加困難,所以我們目前根本沒法對他們的工作進行一一審查。

暗能量會是錯覺嗎?現在對這一問題最提心吊膽的恐怕就是2011年獲得諾貝爾物理學獎的那幾位天文學家了。


超級鏈接:是一顆白矮星還是兩顆?

目前,理論家們為“另類”Ia型超新星為何比其它同型超新星的光度大,提出了很多猜測。一種可能是,如果白矮星自轉非常快,那么其產生的離心力就能抵消一部分引力,使它在爆發成一顆超新星之前,可以擁有更大的質量。

還有一種更極端的猜測:白矮星可能有2顆,而不是1顆。譬如說,起初有兩顆質量大約1個太陽質量的白矮星,一顆比另一顆稍大。稍大的一顆開始從同伴那里撕扯物質,當撕扯到一定程度,這顆白矮星內部的核聚變被點燃,超新星爆發了,它向外拋出的物質落入另一顆白矮星。另一顆白矮星雖然沒有達到爆發的極限,但落入的物質因高速摩擦而發光,使得它變得更明亮。兩顆白矮星總的效果就是亮度變亮了。

作者: 石無魚

來源:《大科學》雜志


2015-08-23 08:55

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