并非所有超新星生而平等：重新思考宇宙的测量工具
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并非所有超新星生而平等：重新思考宇宙的测量工具
Cherie Tyrrell 2025年6月3日，星期二
重新思考 Ia 型超新星的可靠性
天文学家如何测量宇宙？一切都从距离开始。
从测量星系的大小到计算宇宙膨胀的速度，测量宇宙距离对于理解天空中一切事物至关重要。对于邻近的恒星，天文学家使用视差法——即地球绕太阳公转时恒星位置的细微“摆动”。但当涉及遥远星系时，他们依赖的是宇宙中最明亮的爆炸之一：Ia 型超新星。这些强大的事件被认为是可靠的“标准烛光”，即被假定以恒定亮度闪耀的宇宙量尺。
但如果这个假设并非完全准确呢？
台湾中央大学天文研究所的潘彦辰教授的一项新研究挑战了这一观点。他的研究表明，并非所有 Ia 型超新星的行为都相同，它们的差异可能会影响我们测量广阔宇宙距离的方式，甚至影响我们对宇宙膨胀的理解。
超新星与标准烛光快速入门
当白矮星从附近的恒星积累过多物质，无法承受额外的质量时，就会发生 Ia 型超新星爆炸。当达到临界点时，它会爆发成一场辉煌的爆炸。这些爆炸极其明亮，长期以来被认为遵循可预测的模式，使其成为测量其距离的完美工具，就像使用一个 100 瓦的灯泡，根据其看起来有多暗来估算距离一样。
这个假设帮助天文学家构建了“宇宙距离阶梯”，一个让他们能够测量从邻近恒星到可观测宇宙边缘距离的框架。对于遥远的星系，Ia 型超新星通常是唯一亮到足以被观测到的信标。
什么让超新星成为 Ia 型？
这个标签来源于天文学家如何根据光谱特征对爆炸的恒星进行分类。如果超新星的光谱缺少宇宙中最常见的元素氢，它就被标记为 I 型。如果它还显示出硅的特征，它就变成了 Ia 型。
历史上，天文学家认为所有 Ia 型超新星的行为都相似，尤其是在它们随时间变亮和变暗的方式上。但如果这类超新星中存在亚型，那将极大地改变我们的距离计算，进而改变我们对宇宙大小、年龄和命运的模型。
Ia 型超新星。图片由 Wikipedia 提供。
潘的研究：并非所有 Ia 型超新星都相同
在他的研究《利用抛射物速度探索 Ia 型超新星的起源和宇宙学影响》中，潘教授使用 NV5 的 IDL® 软件 分析了数百颗 Ia 型超新星。他的发现令人大开眼界。根据恒星碎片（抛射物）的飞行速度，Ia 型超新星似乎可以分为两个不同的类别——高速型和正常速度型。
这些亚型出现在不同类型的星系中，可能起源于不同的环境，表明存在多种形成路径。更引人注目的是，高速型与正常速度型 Ia 型超新星的比例似乎在宇宙时间中发生变化。这意味着宇宙中更古老和更年轻的区域可能包含不同类型的超新星，这可能会扭曲我们的测量结果。
IDL 在解锁洞察力方面的力量
为了分析如此庞大的数据集，潘教授转向了 IDL，这是一种专为科学数据分析和可视化而构建的高性能编程语言。IDL 使得能够快速准确地从数百颗超新星的光谱中提取关键特征。
“使用 IDL 处理如此庞大数据集的数据归约特别快速高效。对整个数百个超新星光谱的分析可以在几分钟内完成。”
- 潘彦辰 教授
凭借 IDL 的灵活性和商业更新，潘教授完成了从谱线拟合到统计建模的一切工作。结果如何？可重复的高质量洞察，正在重塑我们对 Ia 型超新星的看法。
深入探究结果
潘教授专注于一个特定的吸收特征来测量超新星抛射物的速度。过去的研究已经暗示，高速型和正常速度型超新星在几个方面存在差异，包括它们在宿主星系中的位置以及它们与周围尘埃的相互作用。
潘教授扩展了这项研究，发现：
- 高速型 Ia 型超新星更可能出现在大质量星系和较老的恒星环境中。
- 正常速度型 Ia 型超新星既出现在大型也出现在小型星系中，并且与较年轻的恒星群体相关。
这强烈表明 Ia 型超新星存在多种演化路径，这一见解可能会动摇我们利用它们测量宇宙的基础。更引人注目的是，潘教授发现高速型 Ia 型超新星在较高红移处变得不那么常见。这种演化转变对于使用 Ia 型超新星作为宇宙距离标记具有重大意义，特别是在暗能量研究中。
图 1. 使用 IDL 测量的 Ia 型超新星 Si II λ6355 吸收特征的一些示例。观测和平滑后的光谱分别以黑色和红色显示。超新星抛射物速度是通过吸收最小值相对于谱线静止波长的蓝移波长来测量的。
图 2. Ia 型超新星的 Si II λ6355 速度随宿主星系恒星质量变化的函数。高红移和低红移超新星样本分别用空心三角形和实心圆点表示。高速型超新星以红色显示，正常速度型超新星以蓝色显示。存在一个明显的趋势，即高速型 Ia 型超新星往往在质量更大的星系中被发现，而正常速度型 Ia 型超新星则没有这种偏好。
这对每个人为何重要
了解事物的距离不仅仅是一项学术活动。它直接影响我们测量宇宙膨胀、理解暗能量以及构建宇宙模型的方式。如果 Ia 型超新星比我们之前认为的更加多样化，那么我们用来测量宇宙的工具也需要随之发展。
得益于像 IDL 这样的强大工具和像潘教授这样的研究人员，我们正在获得一个更清晰、更准确的宇宙图景。他的工作有助于确保我们的宇宙量尺得到正确校准，为更精确的空间、时间及其中万物的模型打开了大门。
总结
总之，这不仅仅是关于超新星的分类。它关乎于完善我们用来理解宇宙的工具，并可能重新思考我们关于其结构和起源的一些最大假设。借助像 IDL 这样的工具和像潘教授这样的研究，我们不仅仅是在绘制星图，我们正在重新定义我们测量宇宙本身的方式。
如果您想了解更多关于使用 IDL 的信息，请与我们联系。
潘彦辰 教授，台湾中央大学，2020年至今
东亚核心天文台协会研究员，日本国立天文台，2018-2020年
博士后研究员，加州大学圣克鲁兹分校，2016-2018年
博士后研究员，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，2014-2016年
天体物理学博士，牛津大学，2014年
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