清華大學(xué)物理系王曉鋒研究組在《科學(xué)》發(fā)表論文報(bào)道Ia型超新星最新研究成果

清華大學(xué)物理系天體物理中心副教授王曉鋒領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)一類(lèi)超新星（源于1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的致密星，也就是“白矮星”熱核爆炸產(chǎn)生的，簡(jiǎn)稱(chēng)Ia型超新星）的光譜特征和它們宿主星系的性質(zhì)進(jìn)行了最新的研究，該項(xiàng)研究成果被美國(guó)頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）錄用，并于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2013年3月7日以《兩類(lèi)不同Ia型超新星的證據(jù)》（Evidence for Two Distinct Populations of Type Ia Supernovae）為題在線(xiàn)發(fā)表.該論文的第一作者和通訊作者均為王曉鋒.

這一研究組還包括美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)教授王力帆，美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)加州伯克利大學(xué)教授Alex V.Fillipenko，國(guó)家天文臺(tái)副研究員張?zhí)烀群颓迦A大學(xué)物理系2011級(jí)博士研究生趙旭林等成員.

在此項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)了低膨脹速度與高膨脹速度的兩類(lèi)Ia型超新星有著本質(zhì)的區(qū)別，并且在爆炸時(shí)拋射物高速膨脹的一類(lèi)Ia型超新星相對(duì)低速膨脹的另一類(lèi)具有較高的金屬含量和較為年輕的前身星系統(tǒng).

對(duì)于這類(lèi)特殊的天體，這是一個(gè)非常重要的結(jié)論，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋?dāng)今人們?cè)噲D描述宇宙膨脹歷史的研究中起著非常重要的作用.1998年，國(guó)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)行觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹這一驚人現(xiàn)象，從而預(yù)示宇宙暗能量的存在，這一研究成果在2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).然而，令人感到遺憾的是，Ia型超新星的爆發(fā)以及它們的前身星的物理機(jī)制仍然是個(gè)謎題.幸運(yùn)的是，近幾年來(lái)觀測(cè)到的Ia型超新星的數(shù)據(jù)顯著增長(zhǎng)，天文學(xué)家能夠探測(cè)超新星統(tǒng)計(jì)學(xué)上的性質(zhì)，并建立起它們與宿主星系的聯(lián)系.

上圖為在鄰近星系NGC 1365中爆發(fā)的Ia型超新星.一般認(rèn)為是Ia型超新星源于雙星系統(tǒng)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)產(chǎn)生的Ia型超新星的光譜特征可能不同，這些性質(zhì)可能與它們?cè)谒拗餍窍抵械奈恢糜嘘P(guān).

王曉鋒領(lǐng)導(dǎo)的研究組研究了數(shù)百顆具有良好光度和光譜觀測(cè)的近鄰Ia型超新星，從而得出了最新的結(jié)論.

該論文在線(xiàn)發(fā)表的網(wǎng)址為：http：／／www.sciencemag.org／content／early／recent.

相關(guān)研究背景：

白矮星的爆發(fā)

Ia型超新星是接近錢(qián)德拉塞卡質(zhì)量極限的白矮星熱核爆炸產(chǎn)生的.但一般的白矮星質(zhì)量不足以引發(fā)爆炸，通常是兩顆白矮星組成的雙星系統(tǒng)或白矮星持續(xù)吸積伴星使之達(dá)到質(zhì)量極限.這兩種不同的情況意味著Ia型超新星前身星的年齡、金屬豐度、星周環(huán)境有著很大區(qū)別.

王曉峰副教授認(rèn)為：“前身星系統(tǒng)，Ia型超新星爆炸的物理機(jī)制，可以通過(guò)分析其光譜特性，比較它們的出生環(huán)境，如在宿主星系等的位置和表面亮度等進(jìn)行分析研究”.

超新星和它們的宿主星系

研究發(fā)現(xiàn)，高膨脹速度的Ia型超新星相對(duì)于低速膨脹的樣本來(lái)說(shuō)，多集中于宿主星系中心且更明亮的區(qū)域.此外，高膨脹速度超新星傾向在尺寸更大和光度更強(qiáng)的宿主星系中產(chǎn)生.這些結(jié)果表明，高速I(mǎi)a型超新星可能來(lái)源于相對(duì)更年輕，更高金屬豐度的宿主星系，并且一般限于有大量化學(xué)演化的星系.

作者認(rèn)為，高速的現(xiàn)象可能是由于超新星爆炸產(chǎn)生的拋射物與白矮星周?chē)镔|(zhì)相互作用導(dǎo)致密度增加引起的，星周物質(zhì)可能是吸積盤(pán)或充滿(mǎn)的洛希瓣.觀測(cè)這種相互作用系統(tǒng)的視角變化或許可以解釋光的偏振變化以及這種偏振變化同高速I(mǎi)a型超新星的膨脹速度的相互聯(lián)系.這與觀測(cè)到的高速I(mǎi)a型超新星的星周環(huán)境塵埃多于低速I(mǎi)a型超新星的現(xiàn)象是一致的.

王力帆教授認(rèn)為：“或許高速I(mǎi)a型超新星源于白矮星從伴星吸積物質(zhì)，而正常速度的Ia型超新星來(lái)自白矮星雙星的并合”.

超新星宇宙學(xué)給我們的啟示

Ia型超新星爆發(fā)拋射物速度與其前身星環(huán)境相關(guān)的這一發(fā)現(xiàn)對(duì)用它們作為宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光有重要的影響.因?yàn)檫@兩類(lèi)Ia型超新星在光極大有不同的顏色，它們的比例可能會(huì)隨紅移發(fā)生變化.在很遠(yuǎn)的距離處，高速膨脹的Ia超新星相對(duì)一般的Ia超新星的比例可能變小，因?yàn)榈徒饘儇S度環(huán)境不利于產(chǎn)生高速I(mǎi)a超新星，并且在遠(yuǎn)距離的星系中心區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的超新星光譜認(rèn)證難度也增大了.

Alexei V.Fillipenko教授認(rèn)為：“這項(xiàng)研究對(duì)于利用Ia型超新星精確測(cè)量宇宙的膨脹歷史以及揭示暗能量的性質(zhì)有著極為重要的意義.”