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科学普及

宇宙加速膨胀与Ia型超新星起源研究

稿件来源: 发布时间:2013-03-28

  关于宇宙加速膨胀,让我们从哈勃定律说起。在爱因斯坦广义相对论发表(1916年)的十多年后,哈勃根据对遥远天体的观测发现:星系离我们而去的退行速度v,与其到地球的距离r成正比;即v = H0 r , 这里H0 哈勃常数。以r 为纵坐标,v为横坐标作图,按照哈勃定律应该得到一条直线,而直线的斜率应为1/H0 H0可以被粗略地理解为代表宇宙膨胀的相对速率,  H0 = v / r = (dr/dt)/r = (dr/r) / dt,它的值约为:0.07/(10亿年)。在r ~v 图上,大的r ,或大的v代表宇宙的过去,而原点附近则代表现在。如果在宇宙的历史上,膨胀的速率发生过变化,则r (v) 直线会发生弯曲。特别是,如果宇宙加速膨胀(即过去的膨胀速率较小,H0 较小),则在大r附近,斜率1/H0 将逐步有所增大,结果r (v)表现为下凹曲线。 

  上述关系,体现在观测上,是要作“星体的表观亮度~红移量Z ”的双lg(对数)图。表观亮度 = 发光强度 / r2 , 显然,lg(星体的表观亮度)正比于 - lgr),而lg (Z) 正比于lg (v)1998年,两个独立的国际合作天文观测组,基于他们对Ia型超新星的观测研究,得出结论:宇宙或许正在加速膨胀。研究者的证据是:离我们越远的Ia型超新星,看上去比它们应有的亮度更暗;或者说,在高红移Z(即高v)处,Ia型超新星通过其表观亮度定出的距离r,比按照r (v) 直线所预期的要大——r (v)表现为下凹曲线。 

  有关测量,要求有发光强度固定不变的“标准灯”,这就是Ia型超新星。这类超新星的光变曲线有明显的规律,在爆发后的三星期其发光强度达到最大。此外,还有一些特征(如光谱)可用于对Ia型超新星加以辨认,并且对可能产生的误差做出修正。既然Ia型超新星是我们测量宇宙膨胀速率的标准灯,就有必要对其起源以及爆发过程进行深入的研究。一种有效的方法是仿真模拟。比较公认的模型认为:Ia型超新星是“碳-氧”白矮星的热爆炸事件;要想点燃碳的热核聚变,白矮星事先必须从附近恒星吞食质量(附近恒星外层的氢),或者通过与另一颗白矮星的融合大大增加质量。最近,来自德国马克斯-普朗克天体物理研究所的Pakmor等,在Nature 周刊上撰文,报告了他们所完成的一个模拟——“等质量白矮星融合引发亚光度Ia型超新星”。 

  Pakmor等的工作在在光变周期和光谱方面与观察到的情况十分接近,不过发光强度比正常Ia型超新星要弱,只能算是亚光度Ia型超新星。有关专家认为,Pakmor等的工作首次从理论的角度证实:通过白矮星融合引爆Ia型超新星的方案,是可行的。然而,也有令人担心的问题:宇宙加速膨胀的测量结果是基于对Ia型超新星表观亮度的观察,现在Ia型超新星的发光强度分布不均,是否会对加速膨胀的结论产生影响? 要回答这个问题,现在为时尚早。为此,对天文学界的要求是,通过更全面的物理机制分析,完善对Ia型超新星的分类;使我们关于宇宙膨胀的研究,用上更为可靠的标准灯。 

  (戴闻 编译自 Nature 463(2009) :35 61 

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