王曉鋒課題組：厚積薄發(fā)，揭示“宇宙煙花”真面目
研通社記者 陳陸淼 方文
圖為在鄰近星系NGC 1365中爆發(fā)的Ia型超新星。一般認(rèn)為是Ia型超新星源于雙星系統(tǒng)中的白矮星爆炸。伴星可能是一個(gè)巨星，亞巨星，主序星，或另一顆白矮星。不同的前身星系統(tǒng)產(chǎn)生的Ia型超新星的光譜特征可能不同，這些性質(zhì)可能與它們?cè)谒拗餍窍抵械奈恢糜嘘P(guān)。
1917年，愛(ài)因斯坦利用他的引力場(chǎng)方程，對(duì)宇宙整體的性質(zhì)進(jìn)行了考察。為了解釋物質(zhì)密度不為零的靜態(tài)宇宙的存在，他在場(chǎng)方程中引入了一個(gè)與度規(guī)張量成比例的常數(shù)項(xiàng)。該比例常數(shù)很小，在銀河系尺度范圍可忽略不計(jì)，只在宇宙尺度下才可能有意義，這被稱作宇宙學(xué)常數(shù)。
1929年天文學(xué)家艾德溫.哈勃發(fā)現(xiàn)了銀河系之外的星系離我們的距離與遠(yuǎn)離它們遠(yuǎn)離的速度成正比，即退行速度越大的星系離我們也更遙遠(yuǎn)。這就是著名的哈勃定律，它表明了宇宙不是靜止不變的，而是處于膨脹之中。以此推論宇宙在早期必定很小甚至很致密，而現(xiàn)在的理論認(rèn)為宇宙很可能起源于一百多億年前的一次熱大爆炸產(chǎn)生。這一說(shuō)法還得到了宇宙微波背景輻射（大爆炸后產(chǎn)生的殘余輻射，到今天它的溫度降到了約3K）探測(cè)以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等觀測(cè)證據(jù)的支持。膨脹的宇宙的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最重要的天文發(fā)現(xiàn)之一，它讓人們找到了宇宙起源的線索。而進(jìn)一步了解宇宙膨脹的命運(yùn)則需要找到一種能夠精確量度宇宙膨脹速度的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”天體。Ia型超新星（一種恒星爆炸天象）正是這樣一類天體，其爆發(fā)時(shí)光度非常亮并且較均勻。
1998年，國(guó)際上兩個(gè)研究組對(duì)遙遠(yuǎn)星系中爆發(fā)的Ia型超新星進(jìn)行了詳細(xì)和觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的超新星較近處的暗25%，從而得出宇宙加速膨脹這一驚人的結(jié)論。這一重大發(fā)現(xiàn)是在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹后，對(duì)宇宙的更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。加速膨脹表明宇宙存在一種排斥力（與通常物質(zhì)的引力作用相反），這被歸結(jié)為宇宙暗能量的存在。上述發(fā)現(xiàn)在2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
然而，令人感到遺憾的是，Ia型超新星的爆發(fā)以及它們的前身星的物理機(jī)制仍然是個(gè)謎題。即使近幾年來(lái)觀測(cè)到的Ia型超新星的數(shù)據(jù)顯著增長(zhǎng)，天文學(xué)家能夠探測(cè)爆發(fā)超新星的一些觀測(cè)性質(zhì)上的差異，并提出可能存在的多種爆發(fā)模型，但不同的學(xué)者各執(zhí)己見(jiàn)，未能達(dá)到公認(rèn)的統(tǒng)一。
清華大學(xué)物理系王曉鋒老師研究組針對(duì)Ia型超新星的光譜觀測(cè)特征和它們的宿主星系的性質(zhì)進(jìn)行了最新的研究，對(duì)Ia型超新星的前身星模型給出了新的限制進(jìn)。該項(xiàng)研究成果以《兩類不同Ia型超新星的證據(jù)》（Evidence for Two Distinct Populations of Type Ia Supernovae）為題于2013年4月12日在美國(guó)頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）正式發(fā)表。
Ia型超新星，“標(biāo)準(zhǔn)燭光”
也許你會(huì)認(rèn)為超新星是一種星體，也許你會(huì)猜測(cè)它是宇宙中的一類天體，而其實(shí)王曉鋒老師是這樣描述的：超新星是一些類型的恒星演化到晚期產(chǎn)生的極端高能的爆炸現(xiàn)象；也可以把超新星爆發(fā)想象為一個(gè)炮仗或者煙花，在宇宙空間中爆炸了，并點(diǎn)亮了周?chē)目臻g。他介紹我國(guó)古代對(duì)超新星爆發(fā)現(xiàn)象有早有記載，比如《宋會(huì)要》史書(shū)中詳細(xì)地記載了宋朝在1006年和1054年間發(fā)生的客星（實(shí)為新爆發(fā)的超新星）現(xiàn)象，如爆發(fā)時(shí)在天空上的位置，亮度以及持續(xù)的時(shí)間。
超新星爆炸釋放的光度是非常大的，如在幾周內(nèi)釋放的能量比太陽(yáng)在100億年間總共釋放的能量還要多。因此即使在離我們很遠(yuǎn)的位置爆炸，如在宇宙年齡的1/3-1/4處，我們也能看到它們；并且多數(shù)Ia型超新星釋放出來(lái)的總能量比較類似。由于Ia超新星的這種特征，天文學(xué)家把超新星當(dāng)成了一種“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，通過(guò)這個(gè)“蠟燭”在不同距離處的亮度，即可利用物理公式求出它離我們的距離。
恒星演化有幾種結(jié)局：質(zhì)量比較大的恒星（如>8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量），演化末期最終直接產(chǎn)生核心塌縮爆發(fā)，中心形成致密的中子星或者是黑洞；而像太陽(yáng)一樣的質(zhì)量較小的恒星演化結(jié)局是把外殼層物質(zhì)拋掉后，形成白矮星。如果白矮星處于一個(gè)孤立的系統(tǒng)，那么隨著內(nèi)部核反應(yīng)的停止而無(wú)產(chǎn)生更多的能量供其發(fā)光發(fā)熱，整個(gè)星體將慢慢冷卻；若白矮星有距離很近的伴星，則它會(huì)從伴星中吸取物質(zhì)來(lái)不斷增加自身的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量增加某一個(gè)極限值時(shí)，即便是致密的電子氣體也無(wú)法阻擋來(lái)星體的巨大引力。星體局部塌縮導(dǎo)致核心溫度升高，從而中心的物質(zhì)被點(diǎn)燃并引發(fā)一個(gè)失控的熱核反應(yīng)，將整個(gè)星體炸掉。此類恒星爆炸被稱為Ia型超新星爆發(fā)。由于其在現(xiàn)代宇宙學(xué)中扮演了重要的角色，從而其爆發(fā)模型本身也成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)。
伴星模型，終止“持久戰(zhàn)”
一般的白矮星形成時(shí)其質(zhì)量不足以引發(fā)爆炸，它需要吸積伴星物質(zhì)或者是同另一顆白矮星并合的方式達(dá)到爆發(fā)的質(zhì)量極限。這兩種不同的情況意味著Ia型超新星前身星演化至爆發(fā)時(shí)的需要的時(shí)間、金屬豐度以及爆發(fā)時(shí)的星周環(huán)境等有著很大的差別。
從30多年前開(kāi)始，學(xué)界提出了各種各樣的伴星模型，但一直沒(méi)有一致的結(jié)論。比較流行的有兩種：?jiǎn)魏?jiǎn)并模型（也稱吸積模型）和雙簡(jiǎn)并模型（也稱并合模型）。兩種模型各有各的支持者，但都各執(zhí)己見(jiàn)，而且都無(wú)法用可信的數(shù)據(jù)證實(shí)自己的正確性。因而在利用這些宇宙燭光進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)并未考慮這些伴星的影響。
其實(shí)兩種不同模型的超新星發(fā)出的光可能是有區(qū)別的，例如單簡(jiǎn)并系統(tǒng)產(chǎn)生的可能對(duì)應(yīng)這一個(gè)100瓦的燈泡，而雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)相當(dāng)于110瓦的燈泡；并且這兩類系統(tǒng)的比例在不同距離處有可能不同。了解這些差異并且進(jìn)行有效控制對(duì)今后的宇宙學(xué)研究非常重要。
王曉鋒研究組正是在這一問(wèn)題的研究上取得了重要突破。首先依據(jù)觀測(cè)到的超新星譜線特征對(duì)超新星進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，隨后發(fā)現(xiàn)這些不同類型的Ia型超新星所處的爆發(fā)環(huán)境有較大的差異：爆發(fā)時(shí)譜線向觀測(cè)者移動(dòng)較大的超新星相對(duì)移動(dòng)較小的超新星其前身星具有較多的金屬且顯得更年輕。前者的前身星系統(tǒng)看起來(lái)較亮且周?chē)鷼埩粲泻阈茄莼瘯r(shí)丟掉的物質(zhì)表明它們來(lái)自于單簡(jiǎn)并模型；而后者的前身星系統(tǒng)看起來(lái)較暗且星周較干凈，表明它們可能來(lái)自于雙簡(jiǎn)并模型。這一發(fā)現(xiàn)首次表明Ia超新星爆發(fā)對(duì)于利用超新星研究宇宙學(xué)有著重大影響，有助于區(qū)分不同“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，控制樣本偏差，減少由此引入的計(jì)算誤差。
機(jī)會(huì)眷顧有準(zhǔn)備的人
回憶起最初有這個(gè)課題的想法，王曉鋒老師當(dāng)時(shí)還在美國(guó)工作。2008年，當(dāng)他開(kāi)展鄰近星系M100中一顆特殊超新星研究時(shí)發(fā)現(xiàn)它和一般的Ia型超新星性質(zhì)不同。主要表現(xiàn)該超新星的譜線與正常的超新星相比藍(lán)移的速度非常大。后續(xù)通過(guò)更多的數(shù)據(jù)分析揭示消光該超新星視線方向的消光與銀河系的塵埃的消光性質(zhì)不同，消光系數(shù)小了一半。
這些引發(fā)了王曉鋒的思考：什么原因造成了這種現(xiàn)象呢？
王曉鋒老師當(dāng)時(shí)就推測(cè)，可能是這種超新星爆炸時(shí)包圍了一層來(lái)自前身星演化形成的塵埃。超新星爆炸時(shí)產(chǎn)生的光子被囚禁在塵埃層中，光子經(jīng)過(guò)了多次散射才從塵埃殼中出來(lái)，因而光子的頻率減小，能量降低，光譜的能量分布發(fā)生了改變。這對(duì)于單簡(jiǎn)并系統(tǒng)是可以解釋的，前身星系統(tǒng)在演化過(guò)程中，丟失的物質(zhì)會(huì)形成塵埃殼層。而雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)中的星體丟失的物質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，最終消失在星際空間，因此不會(huì)存留明顯的物質(zhì)殼層。因此可以推測(cè)M100中的超新星有可能來(lái)自于單簡(jiǎn)并的前身星系統(tǒng)。
為了驗(yàn)證自己的想法，他和他的同事申請(qǐng)了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，對(duì)爆炸300多天以后的超新星進(jìn)行了高分辨率的成像觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象：超新星已經(jīng)看不見(jiàn)了，但在原超新星位置周?chē)幸蝗ζ恋墓猸h(huán)。而這個(gè)光環(huán)最有可能就是超新星的光被周?chē)膲m埃散射折射后延遲幾百天到達(dá)觀測(cè)者而形成的。這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了王曉鋒的推測(cè)：譜線藍(lán)移大的超新星來(lái)自于單簡(jiǎn)并系統(tǒng)。
但是當(dāng)時(shí)只有這一個(gè)樣本，一個(gè)特例，無(wú)法下結(jié)論。
2012年，美國(guó)伯克力大學(xué)以及哈佛大學(xué)天體物理中心釋放了一批重要的超新星數(shù)據(jù)。王曉鋒研究組及時(shí)利用了這批數(shù)據(jù)分析了上百顆超新星光譜的特性，最終發(fā)現(xiàn)譜線藍(lán)移大的一類超新星起源于金屬含量高且較為年輕的恒星系統(tǒng)，與單簡(jiǎn)并的相吻合；而譜線藍(lán)移速度較低的則起源于金屬光度較低、年齡稍老的系統(tǒng)，與雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)比較像。
從猜測(cè)，到最終證實(shí)，王曉鋒他們整整用了近5年的時(shí)間。但是時(shí)間的堆積，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)：充足的準(zhǔn)備以及可靠的推測(cè)。再當(dāng)有相關(guān)數(shù)據(jù)被釋放時(shí)，他們能及時(shí)利用現(xiàn)有資源，讓這些數(shù)字成為他們的觀點(diǎn)的有利佐證。因此可以相信，這次發(fā)現(xiàn)偶然中存有必然，是科學(xué)研究過(guò)程中必然經(jīng)歷的過(guò)程。
堅(jiān)持自己，終見(jiàn)彩虹
困難的出現(xiàn)就是一個(gè)新思想的起源。王曉鋒老師認(rèn)為整個(gè)過(guò)程中最大的難點(diǎn)在于怎么找到一個(gè)好的辦法去把他們的結(jié)論給完美地呈現(xiàn)出來(lái)。其實(shí)，當(dāng)時(shí)他們對(duì)超新星伴星模型的判斷在學(xué)界也慢慢萌芽了，但苦于一直想不到好的辦法證明其合理性。王曉鋒研究組在研究過(guò)程中也試了各種辦法，卻沒(méi)有成功。
“應(yīng)該要相信：干什么都不會(huì)白干。”
后來(lái)是因?yàn)槁?lián)想到了王曉鋒老師自己大學(xué)期間做過(guò)超新星在星系分布的相關(guān)研究，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到什么好的結(jié)論或者成果，只是用來(lái)做練習(xí)的。而那些問(wèn)題讓王聯(lián)想到可以考慮將超新星和它的爆炸環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，找到了難點(diǎn)的突破口，研究也順勢(shì)打開(kāi)了新思路。
之前，有學(xué)者認(rèn)為所有Ia超新星都來(lái)自于同一爆炸模型，而觀察結(jié)果的不同是因?yàn)橛^察的幾何效應(yīng)造成的。而王曉鋒研究組就通過(guò)研究超新星的爆發(fā)環(huán)境，證明爆炸差異與環(huán)境有著非常強(qiáng)的關(guān)系，即否定了“同一爆炸模型”的結(jié)論，并證實(shí)了自己的判斷。
在研究進(jìn)程中，王曉鋒也遇到過(guò)一些質(zhì)疑聲，但是他沒(méi)有被影響，因?yàn)樗嘈抛约旱墓ぷ鳌１确秸f(shuō)2009年提出超新星譜分類研究中提到譜線藍(lán)移較大的超新星其顏色看起來(lái)較紅，王給出的解釋是因?yàn)橹車(chē)星吧硇茄莼瘹埩粝聛?lái)的星周塵埃造成的；而美國(guó)一位學(xué)者就認(rèn)為結(jié)論是錯(cuò)誤的，他認(rèn)為看到的紅色是超新星固有特征，在國(guó)際上對(duì)王的觀點(diǎn)進(jìn)行壓制。但是王曉鋒并沒(méi)有動(dòng)搖，他還堅(jiān)持自己，并用更多的證據(jù)和巧妙的分析證明了自己的結(jié)論。
當(dāng)文章發(fā)表時(shí)，國(guó)際上反向很大，評(píng)價(jià)很高。如美國(guó)前天文學(xué)科主席Craig Wheeler教授在文章發(fā)表兩天就寫(xiě)來(lái)郵件說(shuō)：That is a big deal！；另一位日本東京大學(xué)K. Maeda教授原來(lái)是一直是單簡(jiǎn)并系統(tǒng)的忠實(shí)支持者，但看到王等論文中呈現(xiàn)出來(lái)的漂亮結(jié)果后，他認(rèn)為單簡(jiǎn)并派和雙簡(jiǎn)并派多年的爭(zhēng)論也許可以停止了。
路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。科學(xué)之路從來(lái)沒(méi)有一帆風(fēng)順的，但好事多磨的卻不乏。
如果觀察到特殊超新星現(xiàn)象時(shí)王曉鋒沒(méi)有提出疑問(wèn)，并進(jìn)行大膽猜測(cè)；如果大學(xué)期間王曉鋒沒(méi)有那段看似沒(méi)什么成果的練習(xí)，或者有過(guò)卻沒(méi)有進(jìn)行關(guān)聯(lián)；如果沒(méi)有對(duì)問(wèn)題的堅(jiān)持關(guān)注，或者是對(duì)國(guó)際數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)利用；如果在質(zhì)疑聲和困難面前退縮，或者放棄……無(wú)論哪一條成為事實(shí)，也許這項(xiàng)成果不會(huì)這樣呈現(xiàn)出來(lái)。但是我們知道沒(méi)有如果，我們要做的是走好每一步！
“我還要繼續(xù)深入這個(gè)課題，更加完善我們的這個(gè)結(jié)論。“王曉鋒老師給我留下了期待。
編輯：襄 樺
