超新星模型危机
从
格致 - 一起格物致知 作者：xmd
Tom Siegfried 文 X.-M. Deng 译
Ia型超新星非常有规律，因此天文学家们用它们来测量宇宙。然而这些“标准烛光”中的一小部分却与理论模型背道而驰。
当天文学家们对着星星许愿的时候，他们最希望能进一步了解恒星是怎样爆发的。特别地，在天文学上恒星爆发被称为“超新星”，天文学家们特别想知道写入教科书的东西是否是正确的——尤其是广泛被用来探测宇宙历史的Ia型超新星。
[图片说明]：计算机模型显示恒星会爆发，但是并没有告诉我们是什么触发了爆发。版权：D. LAMB/UNIVERSITY OF CHICAGO。
事实上，新的观测巡天暗示，基于Ia型超新星的宇宙观测证据可能是建立在不正确的理论基础之上的。“我们把这个理论写进教科书是因为它看上去对的。但是我们并不真地知道它是否正确，而且我认为人们正开始担心此事，”哈佛史密松天体物理中心（CfA）的超新星学者罗伯特·柯施那（RobertKirshner）说：“我们在不停地谈论同一件事情，但有关的证据却没有改善，这是一个坏兆头。”
上个月在加州大学圣巴巴拉分校卡维利理论物理研究所，柯施那和超过100名从事恒星及其爆发研究的专家齐聚一堂讨论他们的担忧。普遍的共识是教科书中的内容“多少有一点像‘皇帝的新装’，”卡维利理论物理研究所的天体物理学家拉斯·比尔斯登（LarsBildsten）说：“其中还存在着许多漏洞。”
当Ia型超新星提供了宇宙加速膨胀的最强有力证据时，了解它们已经成为了宇宙学的燃眉之急。绝大多数宇宙学家认为，这种加速意味着“暗能量”的存在，它与引力相反起着斥力的作用。
在教科书里，Ia型超新星爆发出现在白矮星吸积它伴星质量的双星系统中。当行星尺度的白矮星吸积了足够的质量并且超过钱德拉塞卡极限（大约是太阳质量1.4倍）时，它的密度会增大到足以点燃热核聚变，将整个星体炸碎。
因为假设所有白矮星爆炸出同样质量的物质，所以它们在任何给定的距离下应当具有相同的亮度，因此它们的视亮度随着距离的增加应当以一种可预言的方式变暗。然而，遥远的Ia型超新星比预计的要暗显示宇宙正在加速膨胀。
但是要确切地搞清楚暗能量是什么就需要精确测定它对宇宙膨胀历史的影响。然而天文学家们说，我们对超新星的了解还远远不够在所需的精度上分析它们的亮度。“我们对细节一无所知，”加州大学伯克利分校的阿莱克斯·菲利潘科（AlexFilippenko）说：“关于Ia型超新星究竟发生了什么仍然有许多争论。”
此次会议的几个发言者也注意到了在教科书中存在的问题。例如，天文学家们很久以前就意识了到并不是所有的Ia型超新星都以同样的亮度爆发。相反，最亮的要比最暗的亮几倍。平均来说，在年老椭圆星系中的Ia型超新星爆发似乎要比较年轻星系中的Ia型超新星爆发暗一些。很可能这些不同反映了导致爆发的不同途径，从而暗示了Ia型超新星有着两种截然不同的爆发机制。“现在有很强烈的证据……很可能有两种Ia型超新星，”比尔斯登说。
基于爆发时光的颜色以及它变暗的速度可以对不同亮度进行修正。虽然这对于建立一个宇宙加速膨胀的图像已经足够了，但是却并不能精确地约束暗能量的性质。这需要解决几个棘手的问题，包括白矮星伴星的性质和爆发机制。
尽管不同的模型在细节上有所不同，但是这次会议上的好消息是几个计算机模拟似乎显示一个1.4倍太阳质量的白矮星的确会像一个炸弹一样爆炸。在一些模型中，聚变波会慢慢地灼烧整个星体（这被称为“爆燃过程”），最终会像氢弹一样触发快速燃烧爆炸。然而，在恒星中聚变的元素是碳和氧，这些元素组成了Ia 型超新星的前身白矮星。
以快速激波立即引爆整个恒星是不太可能的，因为它会将几乎所有的物质转换成镍的一种同位素（该同位素最终会衰变成铁）。由于在Ia型超新星残骸中发现了中等质量的元素（例如硅），所以燃烧必定不会那么快。
在会议上由德国马普天体物理研究所的沃尔夫刚·希拉布朗特（WolfgangHillebrandt）所讨论的一个爆燃模型似乎能导致超新星爆发，但是爆燃必须开始于恒星内部的许多点。另一种方案是由芝加哥大学的道恩·兰（DonLamb）所提出的，该模型显示了开始于恒星内部的聚变泡是怎样爆炸传播到恒星表面，然后在恒星引力的束缚下又在各个方向包裹住整个恒星直至遇到对面的另一个气泡的。当聚变的物质彼此碰撞时，物质喷流重新点燃恒星，导致整个恒星爆炸，新的三维计算机模拟证明了在早前两维模型所看到的这一基本图景的正确性。
[图片说明]：超新星巡天中的不确定性可能最终会影响到对暗能量性质的确定，进而最终无法确定宇宙的最终命运。版权： ADAPTED FROMMICHAEL WOOD-VASEY/HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS。
但是就像柯施那所指出的那样，模拟爆发仅仅是一方面。这些模型是否能重复出实际观测到的不同Ia型超新星爆发中所释放的能量和元素的混合比还需要拭目以待。另外这些模型假定一颗1.4倍太阳质量的白矮星从平衡态爆发，然而没有人确切地知道白矮星是怎样达到引爆点的，或者是否有足够的理由来说明所观测到的爆发率。实际上，大多数被观测到的白矮星仅仅比太阳质量的一半大一点，这远低于引爆点。
在标准模型中，白矮星通过吸积伴星的氢而达到质量极限。但是这种吸积过程必须以“恰好的”比率（很快）发生，并且它将在达到爆发质量之前被较小的爆发所驱散。
此外，如果白矮星真的通过吸积伴星的氢而引爆，残留的氢在超新星遗迹中应当被看到。但是灵敏的观测搜索没能找到这些氢。“我认为这些没能找到这些氢是一个非常、非常严峻的问题，”菲利潘科说。
这些丢失的氢使得一些专家们怀疑伴星并不是富含氢的普通恒星而是其他天体——甚至可能是另一颗白矮星。但是观测上只找到了几个有可能成为超新星的双白矮星系统。在会议英国赫特福德郡大学的拉尔夫·那皮沃塔基（RalfNapiwotaki）说，在欧洲南方天文台的Ia型超新星前身天体巡天中已经发现了超过1000颗白矮星，但只有两个双白矮星系统。
在其中的一个系统中，两个白矮星的总质量没达到引爆的阈值，且无论如何它们在250亿年内都不会并合。另一个双白矮星系统中白矮星尚未达到引爆质量。 “此刻，我们不敢说有一个清晰的Ia型超新星前身天体，”那皮沃塔基说。但是更深层的巡天可能找到更多的候选体，他补充道。
如果双白矮星的确会并合，那么它们合并的质量会超过钱德拉塞卡质量极限，从而产生一个异乎寻常明亮的爆发。并且事实上，使用加拿大-法国-夏威夷望远镜的超新星信息巡天计划在2003年发现了这样一种不寻常的爆发，同时在去年的《自然》杂志上做了报导。
加拿大多伦多大学的安德鲁·霍威尔（AndrewHowell）说，超新星2003fg看起来像一个Ia型超新星，但是它爆炸的亮度超过了Ia型超新星平均亮度的两倍。它的亮度和能量输出暗示了大于两个太阳质量的合并质量，这意味着（在其它可能性下）它是一个双白矮星爆发或一颗白矮星物质的增长超过了预期的最大质量。许多专家们发现很难想象一颗白矮星能具有这么大的质量，但是在目前的理论模型中两颗并合的白矮星也无法产生观测到的Ia型超新星爆发特征。
无论如何，诸如2003fg这些反常的爆发会混淆用来确定暗能量是否与爱因斯坦的广义相对论的“宇宙学常数”相一致的超新星数据。如果暗能量确实是“宇宙学常数”的话，那么在宇宙的任何时间和任何地点，暗能量压强与其密度之比精确等于-1（这个比值被称为状态方程，它为负值的原因是压强是负的，从而确保了暗能量的斥力作用。）
如果这个比值大于-1，暗能量很可能是一类新的场，有时被叫做“精质”（quintessence），它会随着时间改变其强度。若这个比值小于-1，那它就暗示了一种非常怪异的“幻影”（phantom）能量，它总有一天会将宇宙撕成碎片。
目前使用超新星来测量状态方程所作的努力全部与-1一致，但对于探测这个基础上的小偏差还不够灵敏。在此次会议中，多伦多大学的马克·苏利凡（Mark Sullivan）报告了使用超新星信息巡天的250个超新星分析得到的结果为-1.02。CfA的迈克尔·伍德-凡塞（MichaelWood-Vasey）报告了使用ESSENCE超新星巡天的超过170颗超新星样本得到的值为-1.05，但是同样的-1落在了其误差范围之内。
进一步减小误差是未来几个空间超新星搜寻计划的主要目标之一。就像在去年为NASA、美国自然科学基金会和能源部所准备的暗能量计划报告中所指出的，这些计划将彼此展开竞争。但是一些专家们怀疑即使通过暗能量卫星观测到了成千上百颗超新星，然而目前的超新星理论还不足以区分偏离-1的微小差别。不过，一些计划除了超新星还会探测其它宇宙学现象，例如引力透镜效应，这将会有助于减小这些不确定性。
比尔斯登指出，无论如何更好的超新星数据对宇宙学家们来说仍然是有帮助的。“如果真的有两类Ia型超新星，你或许可以决定其中一类并不好，那么你就不会用它来研究宇宙学，”他说：“也许这是有益的信息。”
柯施那说，无论用什么办法来补救超新星模型都要先解决当今教科书中所存在的问题，不过许多关键回答至今仍然毫无头绪。“我不能说这就是一种危机，”他说：“但是如果你问我‘一切都在好转吗？’我的回答是不。”
[Science 2007-04-13]
