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出品：科普中國

作者: 趙偉(wei) 濤（中國科學院雲(yun) 南天文台）

監製：中國科普博覽

被稱之為(wei) “標準燭光”的Ia型超新星，對於(yu) 研究宇宙膨脹速度、驗證暗能量領域起著至關(guan) 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。研究它將對於(yu) 我們(men) 相關(guan) 的研究大有幫助。但是，它的準周期性光變曲線的起源仍屬於(yu) 未知範疇。

值得欣喜的是，在關(guan) 於(yu) 超軟X射線源研究領域，中國科學院雲(yun) 南天文台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(guan) 於(yu) 暗能量的研究一直都在吸引各國科學家的密切關(guan) 注。“暗物質”和“暗能量”可能將成為(wei) 未來科學的核心研究方向。

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

（圖片來源：Veer圖庫）

更加令人震驚的是，各國科學家們(men) 普遍認為(wei) ，這個(ge) 看不見摸不著的暗能量，在宇宙中占據著主導地位。根據2020年底發表在《天體(ti) 物理學期刊》（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構成，其中暗能量占69%，各種物質占31%。此外，在這些物質中，暗物質占比高達80%。人們(men) 所熟悉的其他星體(ti) 、星係、塵埃和氣體(ti) 等常規物質僅(jin) 占20%。

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

由於(yu) 暗能量至今無法被直接觀測，科學家們(men) 目前隻能通過間接的方式推測出它們(men) 的存在。

那麽(me) 到底暗能量是如何被證實存在的？想進一步了解暗能量，這幾個(ge) 關(guan) 鍵詞你一定要知道，它們(men) 就是：宇宙膨脹、宇宙常數，以及Ia型超新星。

宇宙常數與(yu) 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(ge) 論題從(cong) 古至今，在物理界、數學界、天文界甚至哲學界都存在著各種各樣的看法，連牛頓和愛因斯坦都曾經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）

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

但在大約十年後，這一觀點就被“打了臉”。美國天文學家愛德溫·哈勃通過觀測，並根據星係光譜紅移和距離的線性關(guan) 係，也就是俗稱的哈勃定律，正式確定了愛因斯坦提出的靜態宇宙模型並不符合實際情況，宇宙正在發生膨脹。甚至還有傳(chuan) 聞稱，宇宙常數Λ被愛因斯坦稱之為(wei) 自己一生“最大的錯誤”。

事實上，引入“宇宙常數Λ”之前的引力場方程，恰恰已經能夠預示不穩定的宇宙可能會(hui) 發生膨脹或收縮。

愛因斯坦引入“宇宙常數Λ”前後的引力場方程

根據牛頓萬(wan) 有引力定律，宇宙大爆炸所產(chan) 生的衝(chong) 力在引力的作用下和牽製下，宇宙的膨脹速度應該是漸於(yu) 趨緩直至穩定平衡的。但是在2011年，諾貝爾物理學獎得主們(men) 發現，宇宙正在加速膨脹。

科學家們(men) 經過一係列觀測和計算之後，研究顯示宇宙之中應該存在著一種與(yu) 引力作用方向相反（反引力作用力），至今人類還沒有發現的神秘力量！

物理學界把這種與(yu) 引力作用方向相反、至今人類還未知的、神秘作用力稱之為(wei) “暗能量”，並且認為(wei) 正是這種“暗能量”推動宇宙快速膨脹，星係天體(ti) 快速遠離我們(men) 。而從(cong) 這時起，暗能量與(yu) 宇宙膨脹之間的因果關(guan) 係，才隨著人們(men) 的關(guan) 注逐漸明朗起來。

為(wei) 了破解暗能量，“宇宙常數”又複活了？

基於(yu) 暗能量被發現的事實，愛因斯坦那作為(wei) 與(yu) 引力相抗衡的宇宙常數再次引起了人們(men) 的討論。既然宇宙常數，或者說是暗能量，確實是存在的，它不僅(jin) 在對抗著宇宙中的引力，並且左右著宇宙的膨脹速率，那愛因斯坦當時真的錯了嗎？

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

現代科學要基於(yu) 嚴(yan) 謹的觀測和計算，在經曆了一係列曲折後，正在時間中複活的宇宙常數，有了全新的意義(yi) 。

在現在的標準宇宙模型ΛCDM中，用來描述宇宙狀態的方程主要與(yu) 三個(ge) 宇宙學參數有關(guan) ，即ΩM 宇宙密度參數，ΩΛ 宇宙學歸一化常數以及H0哈勃常數。公式中包含的兩(liang) 個(ge) 主要變量——宇宙學密度參數和哈勃常數都是至關(guan) 重要的。

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

標準宇宙模型

（圖片來源:wikipedia）

換句話說，天文學家們(men) 是根據遙遠的超新星的觀測，和宇宙微波背景的波動來估算宇宙常數的值的。

此外，宇宙常數的計算還和宇宙中重金屬元素的豐(feng) 度息息相關(guan) 。現在研究認為(wei) ，宇宙中的大部分重金屬元素（比鐵重）是來自於(yu) 超新星爆炸。超新星爆炸會(hui) 向宇宙中拋射物質，包括重金屬元素，這些重金屬元素對星係、星團、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宇宙常數來推測，而宇宙學常數則可以從(cong) 對Ia型超新星的觀測來進行計算。

而在所有的超新星類型中，有一類超新星，是天文學家們(men) 觀測宇宙膨脹的重要工具。它就是我們(men) 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前國際天文界中的“熱門選手”，假如相關(guan) 學術界有課題熱搜榜，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(wei) 是“標準燭光”。根據在地球上觀測到的不同的Ia型超新星光度，我們(men) 就可以知道它們(men) 離我們(men) 的距離。

科學家根據這個(ge) 原理，通過觀測Ia型超新星的光度曲線和紅移值，發現了Ia型超新星離我們(men) 越來越遠，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(ge) 未知力量，正是“暗能量”。

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

因此，我們(men) 想讓Ia型超新星在研究中發揮更大的作用，就需要詳細地了解Ia型超新星的前身星。但是目前為(wei) 止，人們(men) 仍然不清楚Ia型超新星的前身星模型。

Ia型超新星的“前世”與(yu) 超軟X射線源

在過去的幾十年裏，人們(men) 對於(yu) Ia型超新星的前身星提出了很多種理論，其中單簡並星模型和雙簡並星模型是目前最流行的兩(liang) 種模型。

兩(liang) 種前身星模型示意圖

左：單簡並星模型；右：雙簡並星模型。

（圖片來源:NASA）

雙簡並星模型是指兩(liang) 個(ge) CO白矮星相互旋轉，由於(yu) 引力波輻射而不斷損失角動量，最終合並成一個(ge) 新的CO白矮星。如果合並後總質量超過錢德拉塞卡質量極限，就會(hui) 發生Ia型超新星爆炸。

單簡並星模型是指一顆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，在其表麵燃燒富氫物質並不斷增加自身的質量。當質量增加到錢德拉塞卡質量極限時，就會(hui) 發生熱核爆炸。

這兩(liang) 種模型無論理論上還是觀測上，都有一些優(you) 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(zheng) 論。不過，由單簡並星模型計算的光譜和光變曲線與(yu) 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。

而目前公認的最可能的單簡並星模型的前身星係統，就是超軟X射線源。但是目前超軟X射線源的研究中，準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。

研究新進展帶來“希望的曙光”

值得驕傲的是，在中國科學院雲(yun) 南天文台研究人員的努力下，關(guan) 於(yu) “超軟X射線源的研究中準周期性光變曲線”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係統。超軟X射線源由一顆白矮星和一個(ge) 大質量的主序伴星組成，白矮星吸積來自伴星的物質並穩定燃燒，超軟X射線源的光變曲線表現出明暗交替的準周期性變化。

根據觀測，超軟X射線源具有非常明亮的黑體(ti) 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(ti) 輻射溫度在105-106 K. 伴星通常是主序星或者亞(ya) 巨星，軌道周期分布在幾小時到幾天不等。然而，超軟X射線源的這種準周期性變化光變曲線的成因仍然不清楚。

為(wei) 此，我們(men) 的研究人員提出超軟X射線周期性照射伴星，導致伴星周期性地膨脹和收縮。因此，雙星物質轉移速率周期性地增大和減小，導致白矮星光球層周期性的膨脹和收縮，這很好地再現了超軟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(wei) 濤 繪製）

該研究結果，不僅(jin) 提供了新的途徑來解釋超軟X射線源中準周期性光變曲線的起源，同時也為(wei) Ia型超新星前身星研究提供了新的研究思路。目前，相關(guan) 成果以A robust model for the origin of optical quasi-periodic variability in supersoft X-ray sources為(wei) 題於(yu) 近日發表在《天體(ti) 與(yu) 天體(ti) 物理學》（A&A）上。

結語

盡管對於(yu) 暗能量的研究已經持續了20多年，但科學家們(men) 至今仍然無法準確地說出它究竟是什麽(me) ，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努力下，人類將繼續運用自己的智慧探索未知領域，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用嚴(yan) 謹、科學的態度，在天文學探索領域進行不斷的突破，一個(ge) 個(ge) 未解之謎，終將逐漸明朗。

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