超新星双胞胎为精密宇宙学开辟了新的可能性

1. 超新星双胞胎为精密宇宙学开辟了新的可能性

 1998年，人们利用超新星发现了一个惊人的事实:宇宙的膨胀正在加速，而不是像人们预期的那样在减速。这种加速——被归因于暗能量占宇宙所有能量的三分之二——已经被各种独立的技术以及对超新星的更详细的研究证实。
   暗能量的发现依赖于一种特殊的超新星——Ia型。这些超新星总是以几乎相同的固有最大亮度爆炸。因为观测到的超新星的最大亮度被用来推断它的距离，内在最大亮度的微小剩余变化限制了测试暗能量的精度。尽管20年来许多研究小组都取得了进步，但迄今为止对暗能量的超新星研究仍然受到这些变化的限制。
        丨 超新星数量翻两番  
    SNfactory宣布的新结果来自一项为期多年的研究， 该研究致力于提高超新星的宇宙学测量精度 。 暗能量的测量需要将数十亿光年远的超新星的最大亮度与3亿光年远的超新星的最大亮度进行比较 。研究小组详细研究了数百个此类附近的超新星。每隔几天对每个超新星进行多次测量。每次测量都会检查超新星的光谱，记录其在可见光波长范围内的强度。 安装在夏威夷大学毛纳基2.2米望远镜的超新星积分场光谱仪，是为了这项研究专门定制的仪器，被用来测量光谱。
   “长期以来，我们一直认为，如果两颗超新星爆炸的物理过程是相同的，那么它们的最大亮度也会相同。利用附近超新星工厂的光谱作为一种CAT扫描超新星爆炸，我们可以测试这个想法，”珀尔马特说。
      事实上，几年前 ，当时与 珀尔马特 一起工作的研究生物理学家 汉娜·法库里， 为今天的研究取得了至关 重要的发现 。 通过观察SNfactory拍摄的大量光谱，她发现在相当多的情况下，来自两个不同超新星的光谱看起来非常相似 。 
   在大约50颗超新星中，有些几乎是同卵双生。当一对双胞胎的波动光谱叠加时，在眼睛看来只有一条轨迹。目前的分析建立在这一观测的基础上，以模拟超新星在接近其最大亮度时的行为。 。 
   这项新的工作使分析中使用的超新星数量增加了近四倍。这使得样本足够大，可以应用机器学习技术来识别这对双胞胎，从而发现Ia型超新星的光谱只以三种方式变化。超新星的内在亮度也主要依赖于这三种观测到的差异，这使得测量超新星距离的惊人精确度达到3%成为可能。
   同样重要的是，这种新方法并没有受到之前方法所带来的偏差的影响，这些偏差是在比较不同类型星系中发现的超新星时发现的。由于附近的星系与遥远的星系有些不同，因此人们非常担心这种依赖会在暗能量测量中产生错误的读数。现在，通过这种新技术来测量遥远的超新星，可以大大减少这种担忧。
      在描述这项工作时，珀尔马特指出:“传统的超新星距离测量使用光曲线——当超新星变亮和变暗时，用几种颜色拍摄的图像。相反，我们使用了每个超新星的光谱。这些数据要详细得多，有了机器学习技术，就有可能识别出复杂的行为，而这些行为是测量更精确距离的关键。”
   珀尔马特的论文结果将有利于即将进行的两个主要实验。第一个实验将在智利8.4米高的鲁宾天文台进行，该天文台正在建设中，由美国能源部和美国国家科学基金会的联合项目“时空遗产调查”(Legacy Survey of Space and Time)进行。第二个是NASA即将推出的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜。这些望远镜将测量数千颗超新星，以进一步改善对暗能量的测量。他们将能够将他们的结果与使用互补技术进行的测量结果进行比较。
     桤木  也是这篇论文的合著者，他观察到“这种距离测量技术不仅更精确，而且只需要一个光谱，当超新星最亮，因此最容易观测到的时候——一个 游戏 规则的改变者！”在这个先入为主的观念被证明是错误的、需要独立验证的领域，拥有各种各样的技术尤其有价值。
       SNfactory的合作伙伴包括伯克利实验室，索邦大学的核物理和高能实验室，里昂的天文研究中心，克劳德·伯纳德大学，耶鲁大学，德国洪堡大学，麦克斯大学的两个无限物理研究所清华大学普朗克天体物理研究所，马赛粒子物理中心和克莱蒙·奥弗涅大学。 
    这项工作得到了能源部科学办公室，NASA天体物理处，戈登和贝蒂摩尔基金会，法国国家核与粒子物理研究所以及法国国家科学研究中心的国立地球科学与天文学研究所的支持，德国研究基金会和德国航空航天中心，欧洲研究理事会，清华大学和中国国家自然科学基金会。 
     丨 其他背景  
   其他测量暗能量的技术包括由美国能源部支持的由伯克利实验室领导的暗能量光谱仪，该仪器将在3000万个星系上使用一种称为重子声振荡的技术。鲁宾天文台还将使用另一种称为弱引力透镜的方法。

2. 宇宙中或存在一种新型超新星

这张想象图展示了一个致密物体（黑洞或中子星）占据其大质量伴星核心的场景。致密天体的快速吸积导致其形成了吸积盘，并以接近光速的速度发射了一对喷流。这些喷流穿过了这颗伴星，由于其释放出的巨大能量，这颗伴星即将爆发成超新星。在接下来的几年里，爆炸的恒星物质将穿过一个密集的恒星物质环面。这个致密的天体在过去几个世纪里一直向伴星内核喷射恒星物质，产生了明亮的无线电余辉。  
  
 
  
  
   在一项新研究中，天文学家发现了死亡恒星撞击活跃恒星引发爆炸的证据，这可能意味着宇宙中存在一种新型的超新星。  
  
 
  
  
   超新星是恒星死亡时经历的剧烈爆炸。这种爆炸极其明亮，可以在短时间内照亮其所在的整个星系，并可能持续几周至几个月，甚至数年之后才会逐渐衰减。  
  
 
  
  
   几十年来，研究人员已经了解到，宇宙中存在着两种主要的超新星类型。一类是质量在10倍太阳质量以上的大型恒星，当它们的核心燃烧完所有燃料时，会在其中心坍缩，导致外层爆炸，留下中子星或黑洞等恒星残骸。另一类是质量不到8倍太阳质量的恒星，它们会随着时间的推移而燃烧殆尽，留下被称为白矮星的致密核心；一颗简并的白矮星可以通过吸积从伴星那里获得燃料，提高核心的温度，最终触发失控的热核爆炸，在爆炸中将恒星完全摧毁。  
  
 
  
  
   不过，科学家认为宇宙还可能存在其他类型的超新星。举例来说，大多数质量超过8倍太阳质量的恒星都是在邻近伴星的轨道上诞生的。在这些双星系统中，较重的成员有可能首先以超新星的形式死亡，留下中子星或黑洞；理论上，这些中子星或黑洞能以螺旋的方式向伴星靠近，最终发生碰撞，从而引发超新星。  
  
 
  
  
   现在，天文学家可能已经发现了这种由合并引发的伴星内核坍塌，最终形成超新星的证据。在9月2日的《科学》（Science）杂志网络版上，研究人员详细介绍了他们的发现，这是一个新的超新星类型，我们取得了首次发现。  
  
 
  
  
   利用甚大天线阵巡天项目（VLASS）的数据，研究人员发现了2017年发生的一次极其明亮的无线电波耀斑事件，其编号为“VT J121001+4959647”。甚大天线阵巡天项目通过扫描夜空来寻找明亮的无线电爆发事件。Dillon Dong表示，这次爆发并没有出现在早期的射电调查中，它是“迄今为止探测到的无线电辐射最明亮的超新星”。  
  
 
  
  
   通过后续的无线电和光学分析，研究人员发现，该无线电耀斑来自一颗被浓厚气体外壳包围的恒星。这层气体物质很可能是在无线电信号发射之前的几个世纪就从恒星中喷射出来了。  
  
 
  
  
   这颗恒星的前身经历了一次导致其质量损失的爆炸，从其大气中喷射出的质量超过了该恒星本身的质量。研究人员认为，当这颗恒星以超新星的形式爆炸时，随之发生了射电暴，爆炸产生的碎片撞击到周围的气体外壳，产生了无线电耀斑。  
  
 
  
  
   研究人员随后检查了之前的X射线数据。他们发现，2014年，在与VT J121001+4959647相同的地方出现了X射线喷流。他们认为，这些喷流发生在恒星变成超新星的过程中，残留的死亡恒星将气体从伴星上撕裂下来，形成了一个致密的气体外壳。这种明亮的无线电辉光是在这颗死去的恒星——以中子星或黑洞的形式——撞击它幸存同伴后产生的。  
  
 
  
  
   随着中子星或黑洞螺旋式靠近，它将撕开恒星的大部分大气层，并将其喷射到很远的地方，如果它到达该恒星的核心，理论上它可以破坏核聚变，触发超新星爆炸，并发射我们所观察到的喷流。  
  
 
  
  
   目前，研究人员现在计划进一步监测VT J121001+4959647，以更多地了解大质量双星系统如何相互旋转，这是很难用计算机模拟的，这样的系统或许能让我们最清楚理解两颗恒星合并时发生的物理现象。  
  
 
  
  
   当然，更多的发现可能还有待研究人员进一步 探索 。过去十年，天文学中最令人兴奋的发现之一是，大多数大质量恒星诞生于双星系统、三星系统、四星系统等等，其中大多数恒星的距离非常近，在恒星的生命周期中有强烈的相互作用。以前，天文学家孤立地模拟了这些恒星，现在我们意识到，这些恒星之间的相互作用能产生一系列丰富的现象，很值得 探索 ，由合并引发的超新星爆炸可能只是冰山一角。随着下一代巡天调查和理论天体物理学的新发展，我们可能会发现，恒星会以各种意想不到的方式运行。

3. 比超新星剧烈百倍的特超新星，只出现在宇宙初期，我们要如何探索

 
   超新星是宇宙中最美丽的“烟火”，垂死的恒星通过最后的挣扎，留给宇宙最后的一次绚烂。
   在超新星爆发的背后，除了视觉之美，还有科学之美。超新星在爆发的时候，会经历一系列复杂的变化，这些变化都是在非常极端的条件下才会发生的，我们在实验室中很难发现。同时，它们会产生大量比氢和氦重的元素。 这些元素改变了整个宇宙的面貌，让宇宙更加多元化，这也是生物出现的基础 。
   而在所有的超新星爆发中，有一种最为剧烈，也最为神秘。它的威力如此之大，以至于科学家们给它起了个更震撼的名字—— 特超新星 （hypernova，也有翻译为超超新星的）。
   
   为了探究特超新星的秘密，科学家们进行了无数的尝试。如今，来自台湾省的天文学家陈科荣以及来自加州大学圣克鲁斯分校的S. E. Woosley、朴茨茅斯大学的Daniel J. Whalen等人，利用超级计算机，以史无前例的方式，模拟了超级超新星的爆发过程。
   所谓的特超新星，都是来自于极其巨大的恒星，它们的质量通常是太阳的 130-250倍 ，能量巨大，所以爆发的时候威力也比普通超新星强 100倍 左右。
   特超新星的形成有两种渠道：一是 核心坍缩 ，二是 不稳定对 。
   
   
   该团队主要研究的，就是不稳定对超新星。
   可是，想要观测特超新星，比观测普通的超新星要难得多，因为这样的大质量恒星实在太少了。别看网上到处都是巨大恒星和太阳的对比，实际上我们发现的大质量恒星并不多，尤其是超过130倍太阳质量的。
   宇宙中的确曾经有一段时期充满了如此巨大的恒星，那就是大爆炸后不足3亿年左右的时期。那个时候，宇宙第一代恒星刚刚形成，它们全都是这样的巨无霸。第一代恒星又叫 星族  III星 ，普遍是极其巨大，并且发出耀眼的蓝色光芒的天体。
   
   它们出现得早，死亡得也快，别说是哈勃太空望远镜，即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜，也未必能够看到那么古老的宇宙。因此，与其苦苦等待着一个不知道什么时候才能问世的更加强大的望远镜，不如另辟蹊径。于是，他们决定利用超级计算机，模拟特超新星爆发的过程。
   当然，这不是人类第一次利用计算机模拟这个过程，但是他们是首次将这个过程模拟得如此深入的团队。以往的模拟都是将时间限制在30天内，而这一次 他们模拟到了爆发后300天的时间 。
   他们之所以模拟得这么久，就在于 镍-56 的存在。镍-56是超新星爆发持久的主要因素，如果不是它的存在，超新星爆发将会只是一闪而过。为了能够更加全面地了解超新星爆发的过程，该团队对三颗独立的恒星进行了模拟。
   
   在日本国立天文台（NAOJ）的计算天体物理中心（CfCA），有一台强大的超级计算机—— Cray XC50 。Cray XC50是美国Cray公司发布的一台超级计算机，发布于2016年，一度号称是当时世界上最强的超级计算机之一。2018年，CfCA采购了一台Cray XC50，通过其强大的计算力进行科研 探索 。
   陈科荣等人最终决定，利用这台超级计算机，来模拟特超新星爆发的过程。
   即使它的计算力如此强大，模拟工作也仍然挑战重重。陈科荣介绍：“模拟的规模越大，保持分辨率所导致的计算难度就对计算机要求越高，更不用说其中涉及的物理学理论也非常复杂。”好在他们此前就做过类似的模拟，这一次通过更加完善的代码和程序结构，保证了模拟过程的顺利进行。
   
    一颗质量达到太阳200倍的大质量恒星，可以合成0.1-30个太阳质量的放射性元素镍-56。 他们相信，如此大量镍-56的衰变过程，在极大程度上反应了特超新星爆发的各个不同阶段。这些镍-56绝不仅仅是延长特超新星亮光的瞬间那么简单，还“可能在深处提供重要的爆发动力效应，这会导致不同元素的混合、给观测提供重要的信号。”
   正是通过这些信号，他们获得了前所未有的模拟结果。
   
    在镍-56刚刚开始衰变的时候，被加热的气体就开始向外膨胀，形成一个具有薄外壳的结构 。他们在论文中指出：“气体外壳以内的温度极高……大约30%的能量用来推动气体、另外的~70%能量极有可能就是超新星的光源。以往的模拟过程都忽略了推动气体的效应，导致超新星的亮度都被高估了。”
    在爆发后的200天左右，炽热的镍-56气泡也形成了一个外壳 ，这个外壳位于喷射物形成的硅质结构附近。这个阶段，镍-56衰变的能量开始更多地向推动喷射物向外膨胀的过程转移，导致超新星的亮度不再那么耀眼。
   
   正如我们前面所说的那样，第一代恒星至今仍然无法被我们观测到。虽然本文的作者很有信心，但我们前几天也介绍过，另外一位科学家认为即使是明年发射的 詹姆斯·韦伯太空望远镜 乃至欧南台的 极大望远镜 ，恐怕也仍然不足以直接观测到第一代恒星。因此，对于这些恒星的爆发进行模拟是非常重要的，也是目前我们仅有的能够研究特超新星爆发的手段之一。
   这些第一代恒星的爆发，为当初那个只有氢和氦以及微量锂的宇宙提供了大量更重的元素，而这些元素正是创造生物、地球乃至今天这个宇宙的基础。 如果不是这些特超新星爆发，宇宙不会是今天的模样 。
   
   我们对宇宙的演化如此好奇，却又如此无力。对于现在的我们来说，能够用于研究早期宇宙的手段还非常有限，计算机模拟正是其中之一，这也是超级计算机存在的重要意义之一。宇宙啊，你到底为何是今天这副模样？或许在几十年后，我们才能得到答案吧！