但苦于始終想不到好的措施證實(shí)其公道性

2014-05-02 11:46 來源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

　　如果察看到特別超新星景象時(shí)王曉鋒不提出疑難，并進(jìn)行勇敢猜想；如果大學(xué)期間王曉鋒沒有那段看似沒什么成果的訓(xùn)練，或者有過卻沒有進(jìn)行關(guān)系；如果沒有對(duì)問題的保持關(guān)注，或者是對(duì)國際數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)應(yīng)用；如果在質(zhì)疑聲跟艱苦眼前退縮，或者廢棄……無論哪一條成為事實(shí)，興許這項(xiàng)結(jié)果不會(huì)這樣浮現(xiàn)出來。然而咱們曉得沒有假如，我們要做的是走好每一步！

圖為在附近星系NGC 1365中暴發(fā)的Ia型超新星。個(gè)別以為是Ia型超新星源于雙星體系中的白矮星爆炸。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)發(fā)生的Ia型超新星的光譜特點(diǎn)可能不同，這些性質(zhì)可能與它們?cè)谒拗餍窍抵械牡匚挥嘘P(guān)。

伴星模型，終止“長(zhǎng)久戰(zhàn)”

　　1929年天文學(xué)家艾德溫.哈勃發(fā)現(xiàn)了河漢系之外的星系離我們的距離與闊別它們遠(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)。這就是有名的哈勃定律，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一定很小甚至很致密，而當(dāng)初的實(shí)踐認(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)以及宇宙大標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造等觀測(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來源的線索。而進(jìn)一步了解宇宙膨脹的運(yùn)氣則需要找到一種可能準(zhǔn)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）恰是這樣一類天體，其爆發(fā)時(shí)間度異常亮并且較平均。

　　1998年，國際上兩個(gè)研究組對(duì)遙遠(yuǎn)星系中爆發(fā)的Ia型超新星進(jìn)行了具體和觀測(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)一步的意識(shí)。加速膨脹表明宇宙存在一種排擠力（與通常物質(zhì)的引力作用相反），這被歸納為宇宙暗能量的存在。上述發(fā)現(xiàn)在2011年取得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　王曉鋒研究組正是在這一問題的研究上獲得了重要打破。首先根據(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)者挪動(dòng)較大的超新星絕對(duì)移動(dòng)較小的超新星其前身星存在較多的金屬且顯得更年輕。前者的前身星系統(tǒng)看起來較亮且周圍殘留有恒星演化時(shí)丟掉的物質(zhì)表明它們來自于單簡(jiǎn)并模型；而后者的前身星系統(tǒng)看起來較暗且星周較清潔，表明它們可能來自于雙簡(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)有側(cè)重大影響，有助于辨別不同“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，節(jié)制樣本偏差，減少由此引入的盤算誤差。

　　后來是由于聯(lián)想到了王曉鋒老師自己大學(xué)期間做過超新星在星系散布的相干研究，但當(dāng)時(shí)并沒有得到什么好的結(jié)論或者成果，只是用來做訓(xùn)練的。而那些問題讓王聯(lián)想到能夠考慮將超新星和它的爆炸環(huán)境接洽起來，找到了難點(diǎn)的沖破口，研討也趁勢(shì)翻開了新思路。

　　超新星爆炸釋放的光度是十分大的，如在多少周內(nèi)釋放的能量比太陽在100億年間總共釋放的能量還要多。因而即便在離我們很遠(yuǎn)的位置爆炸，如在宇宙年紀(jì)的1/3-1/4處，我們也能看到它們；并且多數(shù)Ia型超新星開釋出來的總能量比較相似。因?yàn)镮a超新星的這種特征，地理學(xué)家把超新星當(dāng)成了一種“尺度燭光”，通過這個(gè)“燭炬”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。

　　“應(yīng)當(dāng)要相信：干什么都不會(huì)白干。”

　　這些引發(fā)了王曉鋒的思考：什么起因造成了這種現(xiàn)象呢？

　　實(shí)在兩種不同模型的超新星發(fā)出的光可能是有差別的，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)相稱于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。懂得這些差別并且進(jìn)行有效把持對(duì)今后的宇宙學(xué)研究無比重要。

　　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)包抄了一層來自前身星演化造成的塵埃。超新星爆炸時(shí)產(chǎn)生的光子被軟禁在塵埃層中，光子經(jīng)由了屢次散射才從塵埃殼中出來，因而光子的頻率減小，能量下降，光譜的能量分布產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變。這對(duì)單簡(jiǎn)并系統(tǒng)是可以說明的，前身星系統(tǒng)在演化進(jìn)程中，丟失的物質(zhì)會(huì)構(gòu)成塵埃殼層。而雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)中的星體喪失的物質(zhì)經(jīng)過長(zhǎng)期演變，終極消散在星際空間，因此不會(huì)存留顯明的物資殼層。因此可以揣測(cè)M100中的超新星有可能來自于單簡(jiǎn)并的前身星系統(tǒng)。

　　“我還要持續(xù)深刻這個(gè)課題，更加完美我們的這個(gè)結(jié)論。“王曉鋒老師給我留下了等待。

　　1917年，愛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)行了考核。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，在天河系尺度范疇可疏忽不計(jì)，只在宇宙尺度下才可能有意思，這被稱作宇宙學(xué)常數(shù)。

　　2012年，美國伯克力大學(xué)以及哈佛大學(xué)天體物理中央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征，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青的恒星系統(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、春秋稍老的系統(tǒng)，與雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)比較像。

　　為了驗(yàn)證自己的主意，他和他的共事申請(qǐng)了哈勃空間千里鏡的觀測(cè)時(shí)間，對(duì)爆炸300多天當(dāng)前的超新星進(jìn)行了高辨別率的成像觀測(cè),財(cái)務(wù)培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的現(xiàn)象：超新星已經(jīng)看不見了，但在原超新星位置周圍有一圈英俊的光環(huán)。而這個(gè)光環(huán)最有可能就是超新星的光被周圍的塵埃散射折射后延遲幾百天達(dá)到觀測(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)移大的超新星來自于單簡(jiǎn)并系統(tǒng)。

　　從30多年前開端，學(xué)界提出了各種各樣的伴星模型，但始終沒有一致的論斷。比擬風(fēng)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撐者，但都各執(zhí)己見，而且都無奈用可托的數(shù)據(jù)證明本人的準(zhǔn)確性。因此在利用這些宇宙燭光進(jìn)行間隔丈量時(shí)并未斟酌這些伴星的影響。

王曉鋒課題組：厚積薄發(fā)，揭示“宇宙煙花”真面目

　　恒星演化有幾種結(jié)局：質(zhì)量比較大的恒星（如>8個(gè)太陽質(zhì)量），演化末期最終直接產(chǎn)生中心塌縮爆發(fā)，核心形成致密的中子星或者是黑洞；而像太陽一樣的品質(zhì)較小的恒星演化終局是把外殼層物質(zhì)拋掉后，形成白矮星。如果白矮星處于一個(gè)孤破的系統(tǒng)，那么跟著內(nèi)部核反響的結(jié)束而無產(chǎn)生更多的能量供其發(fā)光發(fā)燒，全部星體將緩緩冷卻；若白矮星有距離很近的伴星，則它會(huì)從伴星中汲取物質(zhì)來一直增長(zhǎng)本身的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量增添某一個(gè)極限值時(shí)，即使是致密的電子氣體也無法攔阻來星體的宏大引力。星體部分塌縮導(dǎo)致核心溫度升高，從而中央的物質(zhì)被點(diǎn)燃并引發(fā)一個(gè)失控的熱核反映，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)。因?yàn)槠湓诠糯钪鎸W(xué)中表演了主要的角色，從而其爆發(fā)模型自身也成為學(xué)界研究的熱門。

機(jī)遇眷顧有預(yù)備的人

　　普通的白矮星形成時(shí)其質(zhì)量不足以引發(fā)爆炸，它須要吸積伴星物質(zhì)或者是同另一顆白矮星并合的方法到達(dá)爆發(fā)的質(zhì)量極限。這兩種不同的情形象征著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)境等有著很大的差異。

研通社記者陳陸淼方文

　　從預(yù)測(cè)，到最終證明，王曉鋒他們整整用了近5年的時(shí)光。但是時(shí)間的沉積，打下了堅(jiān)實(shí)的基本：充分的籌備以及牢靠的推測(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。因此可以信任，這次發(fā)明偶爾中存有必定，是科學(xué)研究過程中必然閱歷的過程。

　　在研究過程中，王曉鋒也碰到過一些質(zhì)疑聲，但是他沒有被影響，因?yàn)樗嘈抛约旱墓ぷ鳌１扔髡f2009年提出超新星譜分類研究中提到譜線藍(lán)移較大的超新星其色彩看起來較紅，王給出的解釋是因?yàn)樗闹苡星吧硇茄莼瘹埩粝聛淼男侵軌m埃造成的；而美國一位學(xué)者就認(rèn)為結(jié)論是過錯(cuò)的，他認(rèn)為看到的紅色是超新星固有特征，在國際上對(duì)王的觀點(diǎn)進(jìn)行壓抑。但是王曉鋒并沒有搖動(dòng)，他還堅(jiān)持自己，并用更多的證據(jù)和奇妙的剖析證實(shí)了自己的結(jié)論。

堅(jiān)持自己，終見彩虹

　　也許你會(huì)認(rèn)為超新星是一種星體，也許你會(huì)預(yù)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寫的：超新星是一些類型的恒星演化到晚期產(chǎn)生的極其高能的爆炸現(xiàn)象；也可以把超新星爆發(fā)設(shè)想為一個(gè)炮仗或者煙花，在宇宙空間中爆炸了，并點(diǎn)亮了周圍的空間。他先容我國古代對(duì)超新星爆發(fā)現(xiàn)象有早有記錄，比方《宋會(huì)要》史書中詳細(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，亮度以及連續(xù)的時(shí)間。

　　當(dāng)文章發(fā)表時(shí)，國際上反向很大，評(píng)估很高。如美國前天文學(xué)科主席Craig Wheeler教學(xué)在文章發(fā)表兩天就寫來郵件說：That is a big deal！；另一位日本東京大學(xué)K. Maeda傳授本來是一直是單簡(jiǎn)并系統(tǒng)的忠誠支持者，但看到王等論文中出現(xiàn)出來的美麗成果后，他認(rèn)為單簡(jiǎn)并派和雙簡(jiǎn)并派多年的爭(zhēng)辯也允許以停滯了。

　　難題的呈現(xiàn)就是一個(gè)新思維的起源。王曉鋒老師認(rèn)為整個(gè)過程中最大的難點(diǎn)在于怎么找到一個(gè)好的方法去把他們的結(jié)論給完善地呈現(xiàn)出來。其實(shí)，當(dāng)時(shí)他們對(duì)超新星伴星模型的判定在學(xué)界也漸漸萌芽了，但苦于一直想不到好的措施證明其公道性。王曉鋒研究組在研究過程中也試了各種辦法，卻沒有勝利。

　　但是當(dāng)時(shí)只有這一個(gè)樣本，一個(gè)特例，無法下結(jié)論。

編纂：襄樺

　　之前，有學(xué)者認(rèn)為所有Ia超新星都來自于同一爆炸模型，而視察結(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)聯(lián)，即否認(rèn)了“統(tǒng)一爆炸模型”的結(jié)論，并證實(shí)了自己的斷定。

　　路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將高低而求索。迷信之路素來沒有一路順風(fēng)的，但好事多磨的卻不乏。

　　回想起最初有這個(gè)課題的設(shè)法，王曉鋒老師當(dāng)時(shí)還在美國工作。2008年，當(dāng)他發(fā)展臨近星系M100中一顆特殊超新星研究時(shí)發(fā)現(xiàn)它和正常的Ia型超新星性質(zhì)不同。重要表示該超新星的譜線與畸形的超新星比擬藍(lán)移的速度非常大。后續(xù)通過更多的數(shù)據(jù)分析揭示消光該超新星視線方向的消光與星河系的塵埃的消光性質(zhì)不同，消光系數(shù)小了一半。

　　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度進(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”

　　然而，令人覺得遺憾的是，Ia型超新星的爆發(fā)以及它們的前身星的物理機(jī)制依然是個(gè)謎題。即使近幾年來觀測(cè)到的Ia型超新星的數(shù)據(jù)明顯增加，天文學(xué)家可以探測(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，未能達(dá)到公認(rèn)的同一。