更标准的烛光
作者：苗千
白矮星被行星状星云包围
超新星实际上并不是真正意义上的“星星”，它们是一些恒星走到了生命的尽头时发生剧烈爆炸的产物，超新星爆发时在天空中忽然显得明亮，犹如忽然出现了一颗“新星”，它短暂而明亮的光芒甚至可以盖过整个星系，在短短几周的时间里，一颗超新星释放的能量甚至可以超过太阳一生所释放出的全部能量，而在通过热核聚变迅速燃烧之后一颗超新星就会逐渐熄灭。
人类的存在也要感谢超新星的爆发。在宇宙中的普通物质中，氢和氦等较轻元素占到绝大多数，重元素极其稀少，大多数重元素都是在超新星的爆发过程中形成的，这些元素是构成太阳系和人体的重要组成部分。Ia型超新星（Ia supernovae）是一种特殊的超新星爆发，在一个双星系统（或是三星系统）中的一颗白矮星从它的伴星上逐渐获得质量，如果这个质量超出了“钱德拉塞卡极限”（Chandrasekhar Limit），即超出太阳质量的140%左右，超新星中的碳元素就会被引爆，进而发生热核爆炸。这种超新星爆炸，在银河系这样规模的星系中，大约每200年发生一次。
宇宙学家们认为，发生爆炸时质量都比较接近，这正是Ia型超新星爆发时的亮度都比较接近的原因，在几周的闪耀过后，一颗超新星的光芒开始逐渐暗淡，从光芒的颜色和变暗的速度上，宇宙学家就能以较高的精度推算出超新星爆发时的实际亮度是多少，之后再根据此前人们在地球观测到的这颗超新星的观测亮度和颜色，从两者的对比推算出一颗爆发的超新星与地球的距离大约是多少。犹如一根燃烧的蜡烛，随着观察距离的不同所显示的亮度也不同，这正是“标准烛光”名称的由来。
宇宙学中标准烛光的应用对于人类认识宇宙起到了决定性的作用。在1998年，索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）、布赖恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当·里斯（Adam Riess）等人，正是利用标准烛光来测量宇宙中的天体与地球的距离，发现了宇宙正在加速膨胀这个惊人的事实，这个发现也使这三人后来赢得了2011年诺贝尔物理奖。但是最近随着对Ia型超新星研究的逐渐深入，宇宙学家们发现，标准烛光实际上并不完全标准，不同的Ia型超新星爆发的亮度实际上存在着较大的差异。
此前，宇宙学家们对于超新星更多的是进行理论上的研究。直到2014年，宇宙学家们才真正找到白矮星可以形成Ia型超新星爆炸的宇宙学观测学证据，一组科学家探测到在临近的雪茄星系内的超新星爆发，并且探测到白矮星释放出的伽马射线，由此才断定这是由一颗质量是太阳1.4倍的白矮星被限制在地球大小的空间内时发生的热核爆炸。以前宇宙学家们大都认为触发白矮星发生爆发的伴星是红巨星，但是随着研究的深入，才发现由红巨星触发的白矮星爆发还不到白矮星爆发总数的1%，更多的白矮星爆发是由另外一颗白矮星伴星所触发的。此外，钱德拉塞卡极限是由量子力学推导出的理论结果，尽管大多数Ia型超新星都是在这个极限附近爆发，但是由于它们获得质量的来源、组成成分、被触发的方式等都有所不同，爆发时的质量存在着差异，宇宙学家们观测到越来越多的光芒微弱，或是太过明亮的Ia型超新星爆发——对于标准烛光的理解越深，越是明白它们并不标准，利用标准烛光测量宇宙天体间的距离，误差会在10%左右。
在高精度宇宙学研究的时代，宇宙学家们对于标准烛光的观测精度也有了越来越高的标准，这关系到研究宇宙中最深刻的秘密。总质量、金属丰度、中心密度、碳氧比例的不同，以及伴星性质的不同，对于白矮星的爆发都有影响。根据模型计算，这些参数的不同变化，都会影响超新星的亮度以及它的衰减过程。宇宙学家们需要知道，如何精确计算Ia型超新星爆发的强度，在几十亿年以前，当宇宙的组成成分与现在有较大差别时，当时的超新星爆发是否与后来的爆发形式相同。对于超新星的精确理解，关系到理解整个宇宙膨胀的历史。
宇宙学家们找到了更加标准的烛光。2015年3月27日，美国加州大学伯克利分校SLAC国家加速器实验室、哈佛－史密森天体物理学中心和劳伦斯伯克利国家实验室的几位科学家，共同在《科学》（Science）杂志发表论文《在新生环境中利用Ia型超新星测距精度误差小于4%》（Distances with＜4% precision from type Ia supernovae in young star-forming environments），介绍他们发现的宇宙学测距的新方法，这将大幅提高标准烛光测距的精度。
最新的测量数据显示，超新星所在的星系质量，对于超新星爆发的亮度有着大约10%的影响，这对于测距的精度也会造成很大影响。结合美国航空航天局GALEX卫星、斯隆数字巡天和基特峰国家宇宙台的观测数据，这篇论文的作者们得出结论，在充满新生恒星的年轻星系中选择明亮炽热的、会释放出大量紫外线的年轻恒星附近的标准烛光测距，要比利用在暗淡的恒星附近的标准烛光测距的精度提高很多，这个方法比此前采用的测距方式的精度可以提高两倍以上。他们还为此提供了一个可能的解释：在这种年轻的星系中的白矮星普遍比较年轻，从诞生到发生超新星爆炸的时间比较短，情况也就比较统一。作者们分析了距离地球比较近的、平均距离4亿光年的80个超新星，得出了这个结论，他们认为这个结论在距离地球60亿光年远的距离上也同样适用。这些超新星“标准烛光”，将是标准烛光中更加标准的烛光，利用这个标准测量宇宙距离，可以把误差控制在4%以内——提高精度，正是宇宙学家系统、量化地研究暗能量本质的重要条件。宇宙学家们需要不断提高测距的精度，由此才能够详细了解整个宇宙加速膨胀的历史数据——如果能够掌握这个历史数据，也就相当于掌握了宇宙中暗能量的一个重要参数，这将是解开暗能量之谜的第一步。
〔本文写作参考了《科学》杂志和喷气动力实验室（NPL）网站〕 天文星球物理宇宙学宇宙行星超新星科技ia