強透鏡型Ia型超新星能解決宇宙學最大爭議之一嗎？

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】1929年埃德溫·哈勃在展示宇宙膨脹的時候讓很多人大吃一驚，包括愛因斯坦。1998年兩組天文學家證明宇宙膨脹實際上是由於一種被稱為暗能量的神秘屬性而加速膨脹。這一發現為現在的宇宙模型提供了第一個證據：「Lambda-CDM」，它說宇宙大約有70%的暗能量，25%的暗物質和5%的「正常」物質(我們所觀察到的一切)。直到2016年，Lambda-CDM與數十年的宇宙學數據達成了一致。然後一個研究小組用哈勃太空望遠鏡對當地宇宙膨脹率進行了非常精確的測量。

這兩個天體物理模擬的組合顯示了Ia型超新星(紫色圓盤)在不同的微透鏡放大模式(彩色的場)上展開。由於透鏡星系中的單個恆星可以顯著改變透鏡的亮度，所以超新星的區域可以經歷不同程度的亮度和亮度的變化，科學家認為這將是宇宙學家測量時間延遲的一個問題。利用NERSC的詳細計算機模擬，天體物理學家表明，這將對時延宇宙學產生很小的影響。圖片版權：Danny Goldstein/UC Berkeley

結果是另一個驚喜：研究人員發現，宇宙膨脹的速度要快於Lambda-CDM和宇宙微波背景(CMB)，這是來自大爆炸的殘餘輻射。所以這似乎是不對的——這種差異可能是一個系統性的錯誤，或者可能是新的物理學?勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的天體物理學家和英國朴茨茅斯大學的宇宙學和引力研究所認為，強烈的lensed Ia型超新星是回答這個問題的關鍵。在一篇新的天體物理學雜誌的論文中，他們描述了如何控制「微透鏡」，這是許多科學家相信的物理效應，這將是這些新的宇宙探測器所面臨的不確定性的主要來源。他們還展示了如何實時識別和研究這些罕見的事件。

自從宇宙微波背景的結果出來，證實了加速宇宙暗物質的存在，宇宙學家一直試圖做出更好的和更好的測量的宇宙學參數，減少誤差，（彼得·紐金特說伯克利實驗室的天體物理學家的計算宇宙學中心(C3)和研究報告的合著者）。誤差棒現在非常小，應該能夠說『這個和是一致的』，所以2016年的研究結果給宇宙學帶來了巨大的張力。論文提出了一條前進的道路，以確定當前的分歧是真實的還是錯誤的。

更好的距離標記可以為宇宙歷史提供更明亮的光

物體在太空中的距離越遠，它到達地球的時間就越長。所以我們看得越遠，看到的時間就越早。幾十年來Ia型超新星一直是特殊的距離標記，因為它們在宇宙中無論處於什麼位置，亮度都非常的明亮和相似。通過觀察這些天體，科學家們發現暗能量正在推動宇宙膨脹。但是去年，一個國際研究小組發現了一個更可靠的距離標記——這是有史以來第一個強烈的透鏡狀Ia型超新星。這些事件發生時，一個巨大物體的引力場——像一個星系——彎曲並重新聚焦在它後面的Ia型事件的光。這種「引力透鏡效應」使超新星的光看起來更亮，有時在多個位置，如果光線沿著巨大的物體傳播不同的路徑。

由於大質量物體周圍的不同路徑比其他路徑長，所以同一類型Ia的不同圖像的光會在不同的時間到達。通過追蹤強烈透鏡圖像之間的時間延遲，天體物理學家相信他們可以得到宇宙膨脹率的精確測量。加州大學伯克利分校的研究生和《天體物理學》雜誌上論文的第一作者丹尼·戈爾茨坦說：強烈的透鏡狀超新星比傳統的超新星更罕見——它們是五萬分之一。雖然這測量最初是在1960年代提出的，它從來沒有因為只有兩個強烈有透鏡的超新星被發現到目前為止,都是經得起時間延遲測量。

在運行計算密集型的超新星的模擬光在國家能源研究科學計算中心(·),能源部科學辦公室用戶設施位於伯克利實驗室,Goldstein和紐金特懷疑他們能找到約1000的強烈有透鏡的Ia型超新星在即將到來的大口徑綜合巡天望遠鏡收集的數據(口徑)——20倍比先前的預期。這些結果是他們在《天體物理學雜誌》上發表的新論文的基礎。有三個透鏡狀的類星體——宇宙信標來自星系中心的巨大黑洞，我和我的合作夥伴將膨脹率測量到了百分之3.8的精確度。

得到的值高於CMB的測量值，但是我們需要更多的系統來確定是否有什麼東西與宇宙學的標準模型相矛盾。用類星體來測量時延可能需要數年時間，但這項工作表明可以在幾個月內完成超新星的測量。一千個透鏡的超新星將讓我們真正確定宇宙學。除了識別這些事件之外，NERSC的模擬還幫助他們證明了強透鏡型Ia超新星可以是非常精確的宇宙探測器。當宇宙學家試圖測量時間延遲時，經常遇到的問題是透鏡星系中的單個恆星會扭曲事件的不同圖像的光曲線，使它們更難匹配。這種效應被稱為『微透鏡效應』，使得測量精確的時間延遲變得更加困難，而這對於宇宙學來說是至關重要的。

但在進行了模擬實驗之後，Goldstein和Nugent發現，微透鏡在早期階段並沒有改變強透鏡型Ia型超新星的顏色。因此研究人員可以通過使用顏色而不是光曲線來減去微透鏡效應。一旦這些不良影響被消減，科學家將能夠輕鬆地與光曲線相匹配，並做出精確的宇宙測量。通過使用SEDONA代碼對超新星進行建模，得出了這個結論，該代碼是通過先進計算(SciDAC)研究所的兩個DOE科學發現的資金開發的，用於計算非信息超新星模型的光曲線、光譜和極化。在21世紀早期，能源部資助了兩個SciDAC項目來研究超新星爆炸，我們基本上把這些模型的輸出結果通過一個透鏡系統來證明其效果是無色的。

這篇論文的合著者伯克利實驗室核科學部門的天體物理學家丹尼爾·卡森(Daniel Kasen)說：這些模擬給我們展示了一幅超新星的內部工作原理的令人眼花的畫面，我們不可能知道它的細節。高性能計算的進展終於讓我們了解了恆星的爆炸死亡，這項研究表明，這些模型需要找到測量暗能量的新方法。當LSST在2023年開始全面調查時，它將能夠在3個晚上的時間裡從位於智利中北部的Cerro Pachon脊上掃描整個天空。在10年的任務中，LSST預計將交付超過200 pb的數據。作為LSST暗能量科學合作的一部分，Nugent和Goldstein希望他們能夠通過一個基於NERSC的新型的超新星探測管道來運行這些數據。

紐金特的實時瞬態檢測管道在·使用機器學習演算法來沖刷觀測收集的瞬間因素(PTF),然後中間PTF(iPTF)——每天晚上尋找「瞬時」對象，改變亮度或位置的比較新的觀察和收集所有的數據從之前的晚上。在一個有趣的事件被發現後幾分鐘內，NERSC的機器就會在全球範圍內觸發望遠鏡收集後續觀測結果。事實上今年早些時候，正是這條管道揭示了有史以來第一個強烈透鏡狀的Ia型超新星。Nugent說：我們希望為LSST做的事情與我們為Palomar所做的類似，但是乘以100。

從LSST每天晚上都會有大量的信息。我們想要獲取這些數據然後問我們對天空的這部分有什麼了解，之前發生過什麼，這是我們對宇宙學感興趣的東西嗎？一旦研究人員確定了強透鏡超新星事件的第一束光，計算模型也可以用來精確預測下一個光何時出現。天文學家可以利用這一信息觸發地面和太空望遠鏡追蹤並捕捉到這種光，這基本上可以讓他們在超新星爆炸後觀測到一顆超新星。21年前我來到伯克利實驗室研究超新星輻射傳輸模型，現在我們第一次用這些理論模型來證明我們可以更好地做宇宙學。看到能源部從幾十年前開始的計算宇宙學投資中獲益，這是令人興奮的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：天體物理期刊

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！