“雙胞胎”超新星研究為精確宇宙學開闢了新的可能性

據外媒報道，宇宙學家已經找到了一種方法，可以將測量超新星爆炸距離的準確性提高一倍–這是他們研究使宇宙膨脹得越來越快的神秘暗能量的一種久經考驗的工具。由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Greg Aldering領導的近距離超新星工廠（SNfactory）合作的結果將使科學家們能夠以大大提高的精度和準確性來研究暗能量，並為該技術提供一個跨越遙遠距離和時間的強大交叉檢查。

這些發現也將是即將進行的主要宇宙學實驗的核心，這些實驗將使用新的地面和太空望遠鏡來測試暗能量的替代解釋。

發表在《天體物理學雜誌》上的兩篇論文報告了這些發現， Kyle Boone是第一作者。目前， Boone是華盛頓大學的博士后研究員，他曾是諾貝爾獎得主索爾·珀爾馬特的研究生，他是伯克利實驗室的高級科學家和加州大學伯克利分校的教授，領導了最初發現暗能量的團隊之一。珀爾馬特也是這兩項研究的共同作者。

1998年，超新星被用來做出驚人的發現，即宇宙的膨脹正在加速，而不是像人們預期的那樣放緩。這種加速–歸因於占宇宙所有能量三分之二的暗能量–後來被各種獨立的技術以及對超新星更詳細的研究所證實。

暗能量的發現有賴於使用一類特殊的超新星，即Ia型。這些超新星總是以幾乎相同的內在最大亮度爆炸。因為觀察到的超新星的最大亮度被用來推斷其距離，內在最大亮度的微小剩餘變化限制了暗能量的測試精度。儘管20年來許多小組進行了改進，但直到現在，對暗能量的超新星研究仍然受到這些變化的限制。

超新星的數量翻了兩番

SNfactory宣布的新結果來自一項多年的研究，該研究完全致力於提高用超新星進行的宇宙學測量的精度。對暗能量的測量需要將數十億光年外的遙遠超新星的最大亮度與 “僅 “3億光年外的鄰近超新星的亮度進行比較。該研究小組對數百個這樣的附近超新星進行了細緻的研究。每顆超新星都被測量了若干次，間隔時間為幾天。每次測量都檢查超新星的光譜，記錄其在可見光波長範圍內的強度。安裝在夏威夷大學毛納克亞2.2米望遠鏡上的一台為這項調查定製的儀器–超新星積分場光譜儀，被用來測量這些光譜。

“我們早就有這樣的想法，如果兩個超新星的爆炸物理學是相同的，它們的最大亮度也會相同。” Perlmutter說：“利用近距離超新星工廠的光譜作為一種通過超新星爆炸的CAT掃描，我們可以測試這個想法。”

事實上，幾年前，物理學家Hannah Fakhouri做出了一個對周日的結果至關重要的發現。在觀察SNfactory拍攝的大量光譜時，她發現在相當多的情況下，來自兩個不同超新星的光譜看起來幾乎相同。在50個左右的超新星中，有些幾乎是相同的“雙胞胎”。當一對“雙胞胎”的搖擺不定的光譜被疊加在一起時，對眼睛來說，只有一條軌道。目前的分析建立在這一觀察的基礎上，以模擬超新星在接近其最大亮度的時期的行為。

這項新工作使分析中使用的超新星的數量幾乎翻了兩番。這使得樣本大到足以應用機器學習技術來識別這些雙胞胎，從而發現Ia型超新星的光譜只在三個方面有所不同。超新星的內在亮度也主要取決於這三種觀察到的差異，這使得測量超新星的距離有可能達到3%左右的顯著精度。

同樣重要的是，這種新方法不會受到以前方法的困擾，在比較不同類型的星系中發現的超新星時，會出現偏差。由於近處的星系與遠處的星系有些不同，人們很擔心這種依賴性會在暗能量測量中產生錯誤的讀數。現在，通過用這種新技術測量遙遠的超新星，可以大大減少這種擔憂。

在描述這項工作時，Boone 指出：“傳統的超新星距離測量使用光曲線–當一顆超新星變亮和變暗時以幾種顏色拍攝的圖像。相反，我們使用每個超新星的光譜。這些光譜要詳細得多，通過機器學習技術，就有可能分辨出複雜的行為，這是測量更準確距離的關鍵。”

Boone 論文的結果將有利於即將進行的兩項主要實驗。第一個實驗將在智利在建的8.4米魯賓天文台進行，其空間和時間的遺產調查是美國能源部和國家科學基金會的一個聯合項目。第二個是美國宇航局即將推出的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡。這些望遠鏡將測量數以千計的超新星，以進一步提高對暗能量的測量。他們將能夠把他們的結果與使用補充技術進行的測量進行比較。