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王晓锋课题组:厚积薄发 揭示“宇宙烟花”真面目

时间:2019-10-29 16:16:39
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王晓锋课题组:厚积薄发,揭示“宇宙烟花”真面目

研通社记者郑州癫痫病最好的是哪家医院t-size: 14px"> 陈陆淼 方文

王晓锋课题组:厚积薄发 揭示“宇宙烟花”真面目

  图为在邻近星系NGC 1365中爆发的Ia型超新星。一般认为是Ia型超新星源于双星系统中的白矮星爆炸。伴星可能是一个巨星,亚巨星,主序星,或另一颗白矮星。不同的前身星系统产生的Ia型超新星的光谱特征可能不同,这些性质可能与它们在宿主星系中的位置有关。

  1917年,爱因斯坦利用他的引力场方程,对宇宙整体的性质进行了考察。为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在,他在场方程中引入了一个与度规张量成比例的常数项。该比例常数很小,在银河系尺度范围可忽略不计,只在宇宙尺度下才可能有意义,这被称作宇宙学常数。

  1929年天文学家艾德温.哈勃发现了银河系之外的星系离我们的距离与远离它们远离的速度成正比,即退行速度越大的星系离我们也更遥远。这就是著名的哈勃定律,它表明了宇宙不是静止不变的,而是处于膨胀之中。以此推论宇宙在早期必定很小甚至很致密,而现在的理论认为宇宙很可能起源于一百多亿年前的一次热大爆炸产生。这一说法还得到了宇宙微波背景辐射(大爆炸后产生的残余辐射,到今天它的温度降到了约3K)探测以及宇宙大尺度结构等观测证据的支持。膨胀的宇宙的发现是20世纪最重要的天文发现之一,它让人们找到了宇宙起源的线索。而进一步了解宇宙膨胀的命运则需要找到一种能够精确量度宇宙膨胀速度的“标准烛光”天体。Ia型超新星(一种恒星爆炸天象)正是这样一类天体,其爆发时光度非常亮并且较均匀。

  1998年,国际上两个研究组对遥远星系中爆发的Ia型超新星进行了详细和观测和研究发现远处的超新星较近处的暗25%,从而得出宇宙加速膨胀这一惊人的结论。这一重大发现是在哈勃发现宇宙膨胀后,对宇宙的更进一步的认识。加速膨胀表明宇宙存在一种排斥力(与通常物质的引力作用相反),这被归结为宇宙暗能量的存在。上述发现在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

  然而,令人感到遗憾的是,Ia型超新星的爆发以及它们的前身星的物理机制仍然是个谜题。即使近几年来观测到的Ia型超新星的数据显著增长,天文学家能够探测爆发超新星的一些观测性质上的差异,并提出可能存在的多种爆发模型,但不同的学者各执己见,未能达到公认的统一。

  清华大学物理系王晓锋老师研究组针对Ia型超新星的光谱观测特征和它们的宿主星系的性质进行了最新的研究,对Ia型超新星的前身星模型给出了新的限制进。该项研究成果以《两类不同Ia型超新星的证据》(Evidence for Two Distinct Populations of Type Ia Supernovae)为题于2013年4月12日在美国顶尖学术期刊《科学》(Science)正式发表。

Ia型超新星,“标准烛光”

  也许你会认为超新星是一种星体,也许你会猜测它是宇宙中的一类天体,而其实王晓锋老师是这样描述的:超新星是一些类型的恒星演化到晚期产生的极端高能的爆炸现象;也可以把超新星爆发想象为一个炮仗或者烟花,在宇宙空间中爆炸了,并点亮了周围的空间。他介绍我国古代对超新星爆发现象有早有记载,比如《宋会要》史书中详细地记载了宋朝在1006年和1054年间发生的客星(实为新爆发的超新星)现象,如爆发时在天空上的位置,亮度以及持续的时间。

  超新星爆炸释放的光度是非常大的,如在几周内释放的能量比太阳在100亿年间总共释放的能量还要多。因此即使在离我们很远的位置爆炸,如在宇宙年龄的1/3-1/4处,我们也能看到它们;并且多数Ia型超新星释放出来的总能量比较类似。由于Ia超新星的这种特征,天文学家把超新星当成了一种“标准烛光”,通过这个“蜡烛”在不同距离处的亮度,即可利用物理公式求出它离我们的距离。

  恒星演化有几种结局:质量比较大的恒星(如>8个太阳质量),演化末期最终直接产生核心塌缩爆发,中心形成致密的中子星或者是黑洞;而像太阳一样的质量较小的恒星演化结局是把外壳层物质抛掉后,形成白矮星。如果白矮星处于一个孤立的系统,那么随着内部核反应的停止而无产生更多的能量供其发光发热,整个星体将慢慢冷却;若白矮星有距离很近的伴星,则它会从伴星中吸取物质来不断增加自身的质量。当质量增加某一个极限值时,即便是致密的电子气体也无法阻挡来星体的巨大引力。星体局部塌缩导致核心温度升高,从而中心的物质被点燃并引发一个失控的热核反应,将整个星体炸掉。此类恒星爆炸被称为Ia型超新星爆发。由于其在现代宇宙学中扮演了重要的角色,从而其爆发模型本身也成为学界研究的热点。

伴星模型,终止“持久战”

  一般的白矮星形成时其质量不足以引发爆炸,它需要吸积伴星物质或者是同另一颗白矮星并合的方式达到爆发的质量极限。这两种不同的情况意味着Ia型超新星前身星演化至爆发时的需要的时间、金属丰度以及爆发时的星周环境等有着很大的差别。

  从30多年前开始,学界提出了各种各样的伴星模型,但一直武汉哪里治疗羊羔疯没有一致的结论。比较流行的有两种:单简并模型(也称吸积模型)和双简并模型(也称并合模型)。两种模型各有各的支持者,但都各执己见,而且都无法用可信的数据证实自己的正确性。因而在利用这些宇宙烛光进行距离测量时并未考虑这些伴星的影响。

  其实两种不同模型的超新星发出的光可能是有区别的,例如单简并系统产生的可能对应这一个100瓦的灯泡,而双简并系统相当于110瓦的灯泡;并且这两类系统的比例在不同距离处有可能不同。了解这些差异并且进行有效控制对今后的宇宙学研究非常重要。

  王晓锋研究组正是在这一问题的研究上取得了重要突破。首先依据观测到的超新星谱线特征对超新星进行了系统的分类,随后发现这些不同类型的Ia型超新星所处的爆发环境有较大的差异:爆发时谱线向观测者移动较大的超新星相对移动较小的超新星其前身星具有较多的金属且显得更年轻。前者的前身星系统看起来较亮且周围残留有恒星演化时丢掉的物质表明它们来自于单简并模型;而后者的前身星系统看起来较暗且星周较干净,表明它们可能来自于双简并模型。这一发现首次表明Ia超新星爆发对于利用超新星研究宇宙学有着重大影响,有助于区分不同“标准烛光”,控制样本偏差,减少由此引入的计算误差。

机会眷顾有准备的人

  回忆起最初有这个课题的想法,王晓锋老师当时还在美国工作。2008年,当他开展邻近星系M100中一颗特殊超新星研究时发现它和一般的Ia型超新星性质不同。主要表现该超新星的谱线与正常的超新星相比蓝移的速度非常大。后续通过更多的数据分析揭示消光该超新星视线方向的消光与银河系的尘埃的消光性质不同,消光系数小了一半。

  这些引发了王晓锋的思考:什么原因造成了这种现象呢?

  王晓锋老师当时就推测,可能是这种超新星爆炸时包围了一层来自前身星演化形成的尘埃。超新星爆炸时产生的光子被囚禁在尘埃层中,光子经过了多次散射才从尘埃壳中出来,因而光子的频率减小,能量降低,光谱的能量分布发生了改变。这对于单简并系统是可以解释的,前身星系统在演化过程中,丢失的物质会形成尘埃壳层。而双简并系统中的星体丢失的物质经过长期演化,最终消失在星际空间,因此不会存留明显的物质壳层。因此可以推测M100中的超新星有可能来自于单简并的前身星系统。

  为了验证自己的想法,他和他的同事申请了哈勃空间望远镜的观测时间,对爆炸300多天以后的超新星进行了高分辨率的成像观测,发现了一种奇特的现象:超新星已经看不见了,但在原超新星位置周围有一圈漂亮的光环。而这个光环最有可能就是超新星的光被周围的尘埃散射折射后延迟几百天到达观测者而形成的。这个结果进一步证实了王晓锋的推测:谱线蓝移大的超新星来自于单简并系统。

  但是当时只有这一个样本,一个特例,无法下结论。

  2012年,美国伯克力大学以及哈佛大学天体物理中心释放了一批重要的超新星数据。王晓锋研究组及时利用了这批数据分析了上百颗超新星光谱的特性,最终发现谱线蓝移大的一类超新星起源于金属含量高且较为年轻的恒星系统,与单简并的相吻合;而谱线蓝移速度较低的则起源于金属光度较低、年龄稍老的系统,与双简并系统比较像。

  从猜测,到最终证实,王晓锋他们整整用了近5年的时间。但是时间的堆积,打下了坚实的基础:充足的准备以及可靠的推测。再当有相关数据被释放时,他们能及时利用现有资源,让这些数字成为他们的观点的有利佐证。因此可以相信,这次发现偶然中存有必然,是科学研究过程中必然经历的过程。

坚持自己,终见彩虹

  困难的出现就是一个新思想的起源。王晓锋老师认为整个过程中最大的难点在于怎么找到一个好的办法去把他们的结论给完美地呈现出来。其实,当时他们对超新星伴星模型的判断在学界也慢慢萌芽了,但苦于一直想不到好的办法证明其合理性。王晓锋研究组在研究过程中也试了各种西安治疗癫痫病医院在哪里?办法,却没有成功。

  “应该要相信:干什么都不会白干。”

  后来是因为联想到了王晓锋老师自己大学期间做过超新星在星系分布的相关研究,但当时并没有得到什么好的结论或者成果,只是用来做练习的。而那些问题让王联想到可以考虑将超新星和它的爆炸环境联系起来,找到了难点的突破口,研究也顺势打开了新思路。

  之前,有学者认为所有Ia超新星都来自于同一爆炸模型,而观察结果的不同是因为观察的几何效应造成的。而王晓锋研究组就通过研究超新星的爆发环境,证明爆炸差异与环境有着非常强的关系,即否定了“同一爆炸模型”的结论,并证实了自己的判断。

  在研究进程中,王晓锋也遇到过一些质疑声,但是他没有被影响,因为他相信自己的工作。比方说2009年提出超新星谱分类研究中提到谱线蓝移较大的超新星其颜色看起来较红,王给出的解释是因为周围有前身星演化残留下来的星周尘埃造成的;而美国一位学者就认为结论是错误的,他认为看到的红色是超新星固有特征,在国际上对王的观点进行压制。但是王晓锋并没有动摇,他还坚持自己,并用更多的证据和巧妙的分析证明了自己的结论。

  当文章发表时,国际上反向很大,评价很高。如美国前天文学科主席Craig Wheeler教授在文章发表两天就写来邮件说:That is a big deal!;另一位日本东京大学K. Maeda教授原来是一直是单简并系统的忠实支持者,但看到王等论文中呈现出来的漂亮结果后,他认为单简并派和双简并派多年的争论也许可以停止了。

  路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。科学之路从来没有一帆风顺的,但好事多磨的却不乏。

  如果观察到特殊超新星现象时王晓锋没有提出疑问,并进行大胆猜测;如果大学期间王晓锋没有那段看似没什么成果的练习,或者有过却没有进行关联;如果没有对问题的坚持关注,或者是对国际数据进行及时利用;如果在质疑声和困难面前退缩,或者放弃……无论哪一条成为事实,也许这项成果不会这样呈现出来。但是我们知道没有如果,我们要做的是走好每一步!

  “我还要继续深入这个课题,更加完善我们的这个结论。“王晓锋老师给我留下了期待。

编辑:襄 桦

 

 

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