終結：階梯的盡頭——超新星與哈勃常數

阿盟說

下面就是「天梯」系列最終話的全文，阿盟好期待下一系列的文章

撰文：彭冠辰（英國曼徹斯特大學）

責編：魏玲海

審校：鄭永春

上期結束後，看到了很多讀者留言。很高興能讓大家對天文學多一點興趣和了解～這次的文章介紹下超新星測距和利用哈勃常數進行的紅移測距。同時介紹一點宇宙學中對我們宇宙大小和年齡的看法，也對上期文末這位讀者的提問的前半個部分有個交代。

我們先來談談標準燭光(如圖1)。天文學中所謂標準燭光指的是那些發光的「瓦數」已經比較清楚的光源。由於我們看到的星星的亮度和它的「瓦數」以及距離相聯繫，只要測量了我們看到的標準燭光的亮度，它到我們的距離也就能算出來了。等一下，這個邏輯怎麼這麼眼熟？是的，其實從第二期文章開始，就是這個邏輯了。

圖 1：標準燭光。只要是光度已知的恆星，都可以作為標準燭光使用。

那怎麼聽說超新星才是天文學中的標準燭光呢？所以想在這裡澄清一下這個誤區，能作為標準燭光的天體是有很多的，只是每個燭游標準的程度不大一樣。曾經介紹過的造父變星就是一種比較可靠的燭光～說比較可靠是因為其實造父變星也有很多種，不同種類的造父變星遵守的周光關係也略有不同。但基本上可以說，Ⅰa型超新星是所有燭光中，光度最穩定的。（Ⅰa中的Ⅰ為羅馬數字）

接下來我們就來看看為什麼Ⅰa型超新星會被認為是燭光中最標準的。

「超新星」這個名字其實暴露了天文學家不高的情商。最早是因為觀測上發現天上有時會多出來一顆非常亮的恆星然後漸漸消失（如圖2）。天文學家們在驚嘆之餘困惑不已，就先把它叫做新星。後來發現，並不是真的多出來了一顆星，而是以前暗得不起眼的星星突然變得非常亮了而已。可是這些新星中有的是變亮了幾萬倍，有的則是變亮了大約一億倍。對這兩種星體做了研究後，發現二者都是核反應的結果，但劇烈程度千差萬別。如果說前者表面發生的核反應是在小打小鬧地做個核試驗，那後者進行的核反應就可以毀天滅地了。為了區分，就把前者還叫做新星（nova），後者嘛，就叫做超新星（supernova）。

圖 2：新星。（譯文）儘管肉眼看上去感覺是一顆新的恆星在誕生，但實際上「新星」是由一顆快要死亡的恆星產生的。要理解「新星」的起源，我們需要了解恆星的一生。

而在分析了超新星的光譜後發現，超新星也不都一樣。有的光譜里明顯缺少氫元素髮出的「光」,有的卻有。於是為了區別，前者叫做Ⅰ型超新星，後者叫做ⅠⅠ型超新星。Ⅰ型超新星中有一種是由通過白矮星不斷「吃掉」它的大質量伴星的物質而形成的（如圖3）。當白矮星一邊吃，一邊增重，結果到達一個臨界質量時，就會點燃內部的核反應把自己炸掉，使得自己突然變亮，然後永遠地消失到了星際介質中。（所以說，大自然都在都用行動證明太貪吃沒有好處。。。）這就是Ⅰa型超新星。由於每次Ⅰa型超新星都是在白矮星達到臨界質量時形成的，所以它爆炸時的「瓦數」比較準確，而且很亮，以至於在1000Mpc之外都能看得見。這一下就讓我們能探測的最遠距離提高到了大約33億光年。

圖 3：Ia型超新星的概念圖。左邊的就是貪吃的白矮星，右邊的是它可憐的伴星。

現在再來說說哈勃定律。上期我們講過，當光源遠離我們運動時，看到的光會偏紅。天文術語叫做紅移。在哈勃觀測河外星系時，他發現了這個紅移的程度和光源離我們的距離大概成正比，比例係數就是現在赫赫有名的哈勃常數，單位是 [速度除以距離] 。

這個報告一出來，就引起了宇宙學家們的注意。因為他們當時根據愛因斯坦的廣義相對論推出了宇宙的演化方程。結果發現，數學上允許的宇宙可以是大小不變的，也可以是膨脹的，還可以收縮的。那我們的宇宙究竟是那種呢？哈勃的觀測就有力地支持了我們的宇宙是在膨脹的。那膨脹了有多久呢？一種簡單粗暴的辦法就是用哈勃常數的倒數來估計，大約是140億年，稱之為哈勃時間。

這樣估計的原因很簡單，因為哈勃常數的倒數的單位是[距離除以速度]，和時間的單位一樣。你可能會疑惑，這都行？單位一樣就可以了，這太不科學了吧？其實這是有內在邏輯的。如果一顆星在宇宙大爆炸之初以速度V遠離我們，而且從來不減速，那麼它運動了的時間就是現在到我們的距離除以速度V，也就是哈勃常數的倒數。儘管這個假設的前提不是那麼合理，畢竟引力的束縛作用是可以減速的，但這種理解在一定程度上解釋了為什麼會有哈勃定律。這也是為什麼只有比較遠的星體才能比較好地顯示出哈勃定律中的線性關係。

哈佛的一位宇宙學家曾這樣說過「天文物理經常都是錯的，但從未被懷疑過。」 回顧歷史，其實哈勃當年測量數值不太可靠（如圖4），但紅移量和遠離我們的距離成正比這條直覺定律，卻經過我們介紹過的各種方法（比如TF關係）以及其它高大上的方法被後人驗證。雖然被獨立驗證是線性關係後，哈勃常數的具體數值曾被一再爭議，但它給出的對宇宙年齡大致估計的方法還是得到了認可。

圖 4：哈勃常數的測定（單位：km/s/Mpc）。 最早哈勃的估計是500，但後來他的學生髮現他使用的造父變星不是同一類的。最後哈勃常數的值慢慢確定在70附近。

那宇宙有多大？其實這個答案還沒有人知道，但肯定的是，可見宇宙的大小可以用哈勃時間乘上光速來估計。

總結一下，比較近的恆星，我們可以用三角視差法進行測量。再遠的可以利用基於燭光邏輯的分光視差法，造父變星法，TF關係，Ⅰa超新星等等。更遠的，只要在可見宇宙之內，測量它的紅移，之後就可以用哈勃定律算出距離。那可見宇宙之外呢？可能還是我們的宇宙，只是那裡的光還沒有傳播到我們這裡。

P.S．

致謝：感謝阿盟能給我這樣一個分享的機會，也感謝一些讀者鼓勵我，陪我走到了最後。

致歉：全系列都沒有用公式，也許是受到霍金的影響吧。但其實有些地方不用數學語言很難說得很準確（比如哈勃常數其實有很好的宇宙學公式來表達）。但我想這個系列是希望讓讀者們對天文學家是如何一點點了解我們的宇宙的有一些認識。這個話題有一篇很好的科普文章，可以參考賽先生天文中的：距離階梯和宇宙膨脹。

致敬：雖未能考證，但聽說在哈勃發表他的觀測結果前，其實已經有法國科學家發表了這條定律。只是發表的雜誌影響力不高而且又是法文的，所以直到哈勃發表後10年才被人們注意到。如果野史屬實，在這裡也表達下對這位法國科學家的敬意。

最後，希望大家能關注天文學，走近天文學，喜歡天文學。畢竟天文學，在我們的頭頂閃爍著好奇與思索的星光已有幾千年，也將引領我們帶著對大自然的敬畏走向下一個千年。

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