澎湃新闻记者 虞涵棋

占到宇宙的近70%,推动宇宙加速膨胀,却又不知从何而来,是何形态。即使获得了2011年诺贝尔物理学奖的敲章认证,暗能量依然是天文物理学界最“玄”也最“悬”的概念之一。

当地时间3月5日,位于德国海德堡的马克斯·普朗克天文学研究所宣布,玛利亚·贝格曼(Maria Bergemann)领导的科学团队用更先进的模型调研了42颗恒星的光谱,从而分析出其中化学元素的含量。

2011年诺奖又遭一击:前提假设不对 暗能量研究靠谱吗?-风君子博客

具体的结论是,在过去130亿年内,银河系中锰与铁元素的相对比例保持恒定。而这个发现直接挑战了现有对暗能量、宇宙膨胀率(哈勃常数)的测量方式。

等等,星星的光谱怎么就牵扯到暗能量,甚至宇宙膨胀了?这中间的推理过程可谓是山路十八弯,涉及天文学许多不同领域的知识。

为了方便理解,先来一个简单的逻辑梳理:

2011年诺奖:Ia型超新星的亮度相同(即“标准烛光”概念)→对比“标准烛光”和实际看到的Ia 型超新星亮度就能反推出它们的距离→Ia型超新星正在加速远离地球→宇宙正在加速膨胀→存在推动宇宙加速膨胀的力量,就是暗能量

马普天文学:不同的超新星爆发会洒出不同比例的锰和铁元素→星系中的锰/铁元素比例大致恒定→如果要形成这样的元素比例,Ia型超新星爆发的方式必定不止一种→不同爆发方式的Ia型超新星的亮度不同→Ia型超新星的亮度不尽相同

事实上,近两年不断有新的探测数据并不兼容暗能量的存在。就在2个月前,韩国延世大学在美国天文学年会上报告称,Ia型超新星的亮度与恒星群年龄存在显著的相关性。把超新星因年龄导致的亮度演化考虑进去之后,就再也没有暗能量导致变化的空间了。

尽管切入角度和解释机制不同,德国与韩国的这两项研究都直指Ia型超新星并非此前认定的“标准烛光”。以它们为标杆计算宇宙膨胀,可能存在致命的错误前提。

超新星:天女散花

同是宇宙中的恒星,因质量不同、环境不同,宿命也不同。我们小小的太阳可能只会熄灭成一颗平庸的白矮星,但也有一些大质量的恒星会在末期剧烈爆炸,成为一颗短暂存在而极其明亮的“星”:超新星。

前文所述的Ia型超新星,通常是由一颗白矮星加上一颗普通的恒星形成的。白矮星不断从可怜的伙伴那里吸收外层的氢,自身质量随之增加,等达到一个“钱德拉塞卡极限”(约1.44倍太阳质量)时,根据物理学的基本定律,它一定会爆炸。

由于Ia型超新星都是在这个质量爆发的,亮度也就相同。在这个“标准烛光”假设上,天文学家很开心地计算出Ia型超新星的距离,并勾勒出宇宙膨胀和暗能量的故事。

超新星在宇宙演化还起到了天女散花的作用。宇宙大爆炸之初只有氢、氦元素,随后在恒星活动中逐渐聚变出碳等更重的元素。

但锰、铁这样量级的元素,必得超新星这样高能的“熔炉”才能炼成,随着爆炸散播到宇宙星云中,成为酝酿后代恒星的原料。

换句话说,锰、铁元素是由代代超新星爆炸累积出来的,越年轻的星系往往越富含金属元素。

锰/铁比例: 130亿年如一

问题就出在锰的含量上。

不同元素的原子因结构不同,会散发出不同的光谱。因此,从20世纪早期开始,天文学家们就会用恒星大气层中散发出的光谱,来分析其中到底包含了哪些化学元素。

不过,这些初期的模型比较粗糙,在很多细节问题上都简化处理了。随着多学科的发展,包括原子光谱精细结构、恒星热动力学、流体力学,甚至超算能力的进步,玛利亚·贝格曼团队所使用的的先进版光谱工具才成为可能。

有意思的是,有些元素,比如铁,用粗略版和现金版光谱分析的结果是差不多,而另一些元素,比如锰,差距就很大了。

贝格曼团队运用甚大望远镜和凯克望远镜追踪了42颗恒星(最古老的一颗形成于130亿年前)。根据这些恒星的相对年龄,研究人员得以还原出银河系中锰元素和铁元素含量的演化。

令人惊讶的是,在这130亿年内,银河系中和银河系周边的锰/铁元素的比例大致恒定,几乎是个常数。

“标准烛光”不标准了

由于不同形式的超新星爆炸会散播出不同比例的锰和铁元素,如果说Ia型超新星通常由一颗白矮星吸收伴星质量爆炸而成,那么这个比例就不对了。

根据贝格曼的计算,如果要让锰/铁元素比例保持在这样的常数,那么只有四分之一的Ia型超新星爆炸由上述经典模型诞生,其余四分之三都是另外的形式,例如两颗白矮星或两颗恒星。

这些形式达到爆炸条件的质量不同,因而形成的超新星亮度也不同。Ia型超新星就此失去了“标准烛光”的特殊性,也无法用于准确测量星系距离和宇宙膨胀。

贝格曼团队的这一结论固然会引起学界的反复推敲,但据马普天文所透露,加州理工学院的一个团队在数个矮星系中获得了相似的结果。

欧空局的GAIA太空望远镜将在2021年公开第三期探测数据,其中就可能涉及到不同种类的Ia型超新星。

无论如何,面对现有种种不符的证据,宇宙学家们或许要重新验算一遍哈勃常数和暗能量了。