2011年諾獎又遭一擊:前提假設不對,暗能量研究靠譜嗎?
2020年03月05日21:53

原標題:2011年諾獎又遭一擊:前提假設不對,暗能量研究靠譜嗎?

占到宇宙的近70%,推動宇宙加速膨脹,卻又不知從何而來,是何形態。即使獲得了2011年諾貝爾物理學獎的敲章認證,暗能量依然是天文物理學界最“玄”也最“懸”的概念之一。

當地時間3月5日,位於德國海德堡的馬克斯•普朗克天文學研究所宣佈,瑪利亞•貝格曼(Maria Bergemann)領導的科學團隊用更先進的模型調研了42顆恒星的光譜,從而分析出其中化學元素的含量。

具體的結論是,在過去130億年內,銀河系中錳與鐵元素的相對比例保持恒定。而這個發現直接挑戰了現有對暗能量、宇宙膨脹率(哈勃常數)的測量方式。

等等,星星的光譜怎麼就牽扯到暗能量,甚至宇宙膨脹了?這中間的推理過程可謂是山路十八彎,涉及天文學許多不同領域的知識。

為了方便理解,先來一個簡單的邏輯梳理:

2011年諾獎:Ia型超新星的亮度相同(即“標準燭光”概念)→對比“標準燭光”和實際看到的Ia 型超新星亮度就能反推出它們的距離→Ia型超新星正在加速遠離地球→宇宙正在加速膨脹→存在推動宇宙加速膨脹的力量,就是暗能量

馬普天文學:不同的超新星爆發會灑出不同比例的錳和鐵元素→星系中的錳/鐵元素比例大致恒定→如果要形成這樣的元素比例,Ia型超新星爆發的方式必定不止一種→不同爆發方式的Ia型超新星的亮度不同→Ia型超新星的亮度不盡相同

事實上,近兩年不斷有新的探測數據並不兼容暗能量的存在。就在2個月前,韓國延世大學在美國天文學年會上報告稱,Ia型超新星的亮度與恒星群年齡存在顯著的相關性。把超新星因年齡導致的亮度演化考慮進去之後,就再也沒有暗能量導致變化的空間了。

儘管切入角度和解釋機製不同,德國與韓國的這兩項研究都直指Ia型超新星並非此前認定的“標準燭光”。以它們為標杆計算宇宙膨脹,可能存在致命的錯誤前提。

超新星:天女散花

同是宇宙中的恒星,因質量不同、環境不同,宿命也不同。我們小小的太陽可能只會熄滅成一顆平庸的白矮星,但也有一些大質量的恒星會在末期劇烈爆炸,成為一顆短暫存在而極其明亮的“星”:超新星。

前文所述的Ia型超新星,通常是由一顆白矮星加上一顆普通的恒星形成的。白矮星不斷從可憐的夥伴那裡吸收外層的氫,自身質量隨之增加,等達到一個“錢德拉塞卡極限”(約1.44倍太陽質量)時,根據物理學的基本定律,它一定會爆炸。

由於Ia型超新星都是在這個質量爆發的,亮度也就相同。在這個“標準燭光”假設上,天文學家很開心地計算出Ia型超新星的距離,並勾勒出宇宙膨脹和暗能量的故事。

超新星在宇宙演化還起到了天女散花的作用。宇宙大爆炸之初只有氫、氦元素,隨後在恒星活動中逐漸聚變出碳等更重的元素。

但錳、鐵這樣量級的元素,必得超新星這樣高能的“熔爐”才能煉成,隨著爆炸散播到宇宙星雲中,成為醞釀後代恒星的原料。

換句話說,錳、鐵元素是由代代超新星爆炸累積出來的,越年輕的星系往往越富含金屬元素。

錳/鐵比例: 130億年如一

問題就出在錳的含量上。

不同元素的原子因結構不同,會散發出不同的光譜。因此,從20世紀早期開始,天文學家們就會用恒星大氣層中散發出的光譜,來分析其中到底包含了哪些化學元素。

不過,這些初期的模型比較粗糙,在很多細節問題上都簡化處理了。隨著多學科的發展,包括原子光譜精細結構、恒星熱動力學、流體力學,甚至超算能力的進步,瑪利亞•貝格曼團隊所使用的的先進版光譜工具才成為可能。

有意思的是,有些元素,比如鐵,用粗略版和現金版光譜分析的結果是差不多,而另一些元素,比如錳,差距就很大了。

貝格曼團隊運用甚大望遠鏡和凱克望遠鏡追蹤了42顆恒星(最古老的一顆形成於130億年前)。根據這些恒星的相對年齡,研究人員得以還原出銀河系中錳元素和鐵元素含量的演化。

令人驚訝的是,在這130億年內,銀河系中和銀河系周邊的錳/鐵元素的比例大致恒定,幾乎是個常數。

“標準燭光”不標準了

由於不同形式的超新星爆炸會散播出不同比例的錳和鐵元素,如果說Ia型超新星通常由一顆白矮星吸收伴星質量爆炸而成,那麼這個比例就不對了。

根據貝格曼的計算,如果要讓錳/鐵元素比例保持在這樣的常數,那麼只有四分之一的Ia型超新星爆炸由上述經典模型誕生,其餘四分之三都是另外的形式,例如兩顆白矮星或兩顆恒星。

這些形式達到爆炸條件的質量不同,因而形成的超新星亮度也不同。Ia型超新星就此失去了“標準燭光”的特殊性,也無法用於準確測量星系距離和宇宙膨脹。

貝格曼團隊的這一結論固然會引起學界的反複推敲,但據馬普天文所透露,加州理工學院的一個團隊在數個矮星系中獲得了相似的結果。

歐空局的GAIA太空望遠鏡將在2021年公開第三期探測數據,其中就可能涉及到不同種類的Ia型超新星。

無論如何,面對現有種種不符的證據,宇宙學家們或許要重新驗算一遍哈勃常數和暗能量了。

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