与伽玛暴成协的超新星:新的标准烛光

天文学家可能会即将为宇宙距离阶梯添加新的梯级。

天文学是在难以想象的距离上进行研究的学科。然而实际测量邻近的系外行星或者在黑暗宇宙深处闪耀的星系的距离看上去几乎是徒劳无功的。

最简单的一种方法是使用标准烛光，也就是本征亮度已知的天体，然后根据它们在地球上看起来的亮度来推断它们的距离。

天文学家曾经使用Ia型超新星作为标准烛光，取得了巨大的成功。这样的爆发是致密白矮星在积累了过多的额外质量之后发出的死亡呻吟。不过我们一直在搜索着可以充当宇宙距离阶梯上独立梯级的新型标准烛光，凭借这样的阶梯，我们可以去测量愈发遥远的距离。

艺术家笔下的伽玛暴。（图片提供：European Southern Observatory）

现在两篇投给不同杂志的新论文独立发现，与伽玛暴成协的超新星可能也可以被“标准化”。虽然两篇文章必须都要通过严格的同行评审过程，但外围专家都称赞他们的工作是坚实的出发点。

作为标准烛光的伽玛暴？

天空中每天都会被一次左右的神秘高能闪光照亮。这样的事件就是伽玛暴（简称GRB），它们是宇宙中最具爆发性、能量最高的事件，在几分之一秒内发出的能量相当于太阳在一生之中的产能。长GRB（持续时间超过2秒）来自发生超新星爆发的大质量恒星。

其中一篇文章的作者、来自冰岛大学的扎克·卡诺（Zach Cano）说：“当这些恒星的核心发生坍缩时，它们形成了‘中心能源’，据信中心能源要么是被吸积盘包裹的快速自转黑洞，要么是有着超强磁场的中子星。当核心坍缩时，中心能源形成了一对双极喷流，喷流穿过星体，在距离恒星很远的地方产生了伽玛射线的爆发，随后形成余辉。”

由于我们接收到的Ia型超新星辐射数量随时间演化的模式是固定的，Ia型超新星可以被轻易地视作标准烛光。辐射的演化（光变曲线）有着特征形态，这让天文学家单纯凭借形态就可以确定出爆发的本征亮度。

但是乍看上去，造就GRB的超新星光变曲线是不规则的。

因此卡诺以及由丹麦哥本哈根大学的Xue Li与延斯·约尔特（Jens Hjorth）组成的另一个小组同时进行了略为深入的研究。两个小组各自观察了不同的两组GRB与超新星成协事件（每组8个），以图寻找整个光变曲线是否存在任何一致性。

他们使用了两种不同的途径。卡诺假设所有与GRB成协的超新星都遵循原型事件——与GRB成协的SN 98bw的行为（天文学家向我保证，这一步骤是正确的）。相反，Xue Li与约尔特直接使用了各个成协超新星的光变曲线，并搜寻其中的相关性。

最后卡诺发现，超新星的光度出乎意料地与光变曲线的宽度存在很好的相关性，而Xue Li与约尔特发现，光度出乎意料地与光变曲线的衰减速率很好地相关。

来自圣地亚哥智利天主教大学的专家史蒂夫·舒尔茨（Steve Schulze）解释说：“在两个小组（提交了）论文之前，人们并不清楚与GRB成协的超新星是否可以充当标准烛光。卡诺以及Xue Li与约尔特的论文提供了引人注目的证据，说明与GRB成协的超新星可以被标准化。”更加有希望的是，两个独立的小组无意间很好地支持了彼此的观点。

使用与GRB成协的超新星作为标准烛光有很多优势，两个小组都为向前迈进而兴奋。

约尔特说：“看起来与GRB成协的超新星也许可以像Ia型超新星一样充当标准好的标准烛光。”他解释说，伽玛暴的一个重大优势是，它们有着很大的红移分布范围。天文学家已经在红移高至8的地方探测到了伽玛暴，这里对应的宇宙年龄只有6亿年。使用GRB来测量邻近宇宙中的距离可以更好地让天文学家了解宇宙中神秘爆发随时间的变化。

不过接下来的一步是实际使用伽玛暴作为标准烛光。卡诺认为，他发现了进行这一工作的方法，不过现在还不打算发表。卡诺说：“基于这一结果，初步（尚未发表）结果表明，与GRB成协的超新星可以像Ia型超新星一样用于限制宇宙学模型。初步结果还表明，宇宙主要由暗能量组成，哈勃常数介于60到70千米/秒/百万秒差距之间，”这与ESA的普朗克探测器小组成员进行的计算相符。“这些结果还是初步的，但是非常激动人心。”

当然很重要的一点是，需要强调这一方法还很年轻，仍有大量的障碍需要克服。在学术界公认这一方法切实可行之前，两个小组都还要研究更大的样本。

参考文献：

Z·卡诺，《作为标准烛光的伽玛暴成协超新星》，2014年7月9日在arXiv.org公开

Xue Li与延斯·约尔特，《与伽玛暴成协的超新星光变曲线的特性》，2014年7月13日在arXiv.org公开

译注：除了与伽玛暴成协的超新星，现在亦有学者尝试利用伽玛暴本身作为标准烛光来研究宇宙学。虽然伽玛暴光变曲线和亮度形态各异，但仍旧存在若干统计关系，如爆发瞬时辐射峰值光子能量和各向同性能量之间存在正相关（Amati关系）、各向同性峰值光度与暴源系中伽玛暴瞬时辐射峰值光子能量之间存在正相关（Yonetoku关系）等等，也确实有工作利用伽玛暴的这些相关性来限定宇宙学参数。考虑伽玛暴远较超新星更高的光度（进而是更大的红移分布范围，最大可以超过9；作为对比，与超新星成协的伽玛暴基本是分布在低红移区的），这一领域也值得进一步探讨。