2011年12月22日

[知識分享站] 2011年諾貝爾物理獎發現了"超新星"的秘密

"超新星"訴說的秘密 — 宇宙正在加速膨脹
2011年諾貝爾物理獎項的得主是由兩個研究團隊的三名美國天文學家同獲殊榮，他們在研究超新星時，得出宇宙以極快速度加速擴張、最後將遍地冰封的驚人發現，因「協助揭開宇宙奧秘」而獲獎。瑞典皇家科學院指出，獲獎的52歲美國科學家佩爾莫特爾（Saul Perlmutter）、44歲美裔澳洲學者施密特（Brian P. Schmidt）以及42歲美國科學家黎斯（Adam G. Riess），在觀測所謂的「1A型超新星」時，發現超過50顆遙遠的超新星亮度比之前預期的微弱。諾貝爾獎委員會將他們的發現比擬為：「把球丟到空中，沒看到球掉下來，卻看著它以越來越快的速度消失在天空中，好像是重力無法反轉這顆球的軌跡。宇宙間似乎也在發生類似情況。」關於這些天文物理現象的探討，我們更可以多加利用IOP (Institute of Physics)提供的專業且具權威的天文物理學領域的期刊文獻和研究報告來一窺究竟。

何謂「超新星(Supernova)」？
 nova在拉丁語中是「新」的意思，這表示它看上去是一顆新出現的亮星（其實原本即已存在，因亮度增加而被認為是新出現的）。超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，並可持續幾周至幾個月才會逐漸衰減變為不可見。超新星有幾種不同類型，其形成機制來自兩種情形之一：1.通過核融合產生能量的過程終止或突然啟動。當一個衰老的大質量恆星核無法再通過熱核反應產生能量時，它有可能會通過引力塌縮的過程塌縮為一個中子星或黑洞。引力塌縮所釋放的引力勢能會加熱並驅散恆星的外層物質。2.為一顆白矮星可能會從其伴星那裡獲取並積累物質（通常是通過吸積，少數通過合并）從而提升核心的溫度，以至能夠將碳元素點燃並由此導致熱失控下的核融合，最終將恆星完全摧毀。(資料來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/超新星；圖片來源：成功大學物理學系 天文學實驗室 )

 
觀察超新星 計算宇宙膨脹速度
但超新星到底如何計算出宇宙膨脹速度？它的原理為何呢？其實這與整個天文學和物理學的原理相關，三位諾貝爾物理獎的得主其實經過了長期耕耘在天文物理的觀察和探究，才能了解到彼此間的奧妙關係。我們可以直接在IOP內以關鍵字"Supernova"進行檢索，讓自己先建立關於超新星的基本認識、閱讀觀察紀錄或者是掌握分析資料。之後更可以找到許多有關於三位諾貝爾物理獎得主的天文發現—超新星與宇宙膨脹/爆炸相關的資料，讓我們更深入地掌握這這些閃爍燃燒的超新星，在遙遠的天際帶給地球的影響。


  • The Farthest Known Supernova: Support for an Accelerating Universe and a Glimpse of the Epoch of Deceleration. Adam G. Riess et al. 2001 ApJ 560 49 doi:10.1086/322348
  • Supernova Limits on the Cosmic Equation of State. Peter M. Garnavich et al. 1998 ApJ 509 74 doi:10.1086/306495
  • Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. Adam G. Riess et al. 1998 The Astronomical Journal 116 1009 doi:10.1086/300499
  • The Type Ia Supernova Rate. Evan Scannapieco and Lars Bildsten 2005 ApJ 629 L85 doi:10.1086/452632
  • Jet-induced Explosions of Core Collapse Supernovae. A. M. Khokhlov et al 1999 ApJ 524 L107 doi:10.1086/312305
  • The First Supernova Explosions in the Universe. Volker Bromm et al 2003 ApJ 596 L135 doi:10.1086/379359
  • Do Type Ia Supernovae Provide Direct Evidence for Past Deceleration of the Universe? Michael S. Turner and Adam G. Riess 2002 ApJ 569 18 doi:10.1086/338580
  • The Diversity of Type Ia Supernovae: Evidence for Systematics? S. Benetti et al. 2005 ApJ 623 1011 doi:10.1086/428608
  • Is there an Indication of Evolution of Type Ia Supernovae from their Rise Times?  Adam G. Riess et al. 1999 The Astronomical Journal 118 2668 doi:10.1086/301144
  • Improved Cosmological Constraints from New, Old, and Combined Supernova Data Sets. M. Kowalski et al. 2008 ApJ 686 749 doi:10.1086/589937
  • Bipolar Supernova Explosions. Lifan Wang et al. 2001 ApJ 550 1030 doi:10.1086/319822
  • A Comparative Study of the Absolute Magnitude Distributions of Supernovae. Dean Richardson et al. 2002 The Astronomical Journal 123 745 doi:10.1086/338318
  • A Search for Environmental Effects on Type Ia Supernovae. Mario Hamuy et al. 2000 The Astronomical Journal 120 1479 doi:10.1086/301527 
  • Type Ia Supernova Explosion: Gravitationally Confined Detonation. T. Plewa et al 2004 ApJ 612 L37 doi:10.1086/424036

開拓天文物理的新視野  探索宇宙的暗能量

簡單地來說，由於超新星是由密度極高而體積很小的白矮星爆炸而成，每顆「1A型超新星」爆炸時發出的能量和射線強度一致，因此在地球上觀測「1A型超新星」亮度的變化，可以準確推算出它們和地球距離的變化，並據此計算出宇宙膨脹的速度。

根據估算，在如銀河系大小的星系中超新星爆發的機率約為50年一次，它們在為星際物質提供豐富的重元素中起到了重要作用。同時，超新星爆發產生的激波也會壓縮附近的星際雲，這是新的恆星誕生的重要啟動機制。而3位學者的發現，顯示了超新星和宇宙膨脹的關係，研究更觀測到了宇宙膨脹速率正在增加，透過他們的解析，為天文物理領域帶來更專業的貢獻，也解讀了宇宙加速膨脹的因素，更為神秘宇宙世界的中3/4的「暗能量」再次獲得天文界的關注。而就如中央大學天文研究所教授陳文屏表示：「他們的發現打開人類視野，就像我們在晚上本來只看到眼前點點燈火，後來才發現還有許多其他東西，雖然有的亮、有的暗，它們卻都存在。」，他們的獲得諾貝爾的殊榮可謂實至名歸。

參考資源：
特約編輯  | Nicky 提供
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