超新星最新研究进展和

超新星最新研究进展和“宇宙暗能量”问题质疑

彭秋和 (南京大学天文系)

乛、引言：问题的提出

“宇宙暗能量”问题是自1998年以来天文学(主要是宇宙学分支)和物理学(主要是粒子物理学分支)最为火热的研究课题之一。近十余年来，有关的学术研究论文己超过1万篇。粒子物理学家至今不仅未弄清楚“暗能量”的规律，甚至连这种来自虚无渺茫的“真空”的“暗能量”究竟是什么也未明白。这就使得它成为被新闻媒体炒作得几乎人人皆之的自然科学热门话题之一。“物理学新规律”成为某些学者在科学普及讲座中最常用的口头禅。“宇宙暗能量”的这股热浪排山倒海地压倒了科学界与新闻媒体界。可以说，在宇宙学研究中它占据了主导的潮流。

其实，早在1998年以前，在宇宙学研究中就出现了一些难以解释的矛盾。

例如：1）对银河系內某些最年老的恒星，天文学家测定或估算的年龄似乎大于测定的宇宙年龄。有人提出，如果宇宙现阶段是加速膨胀的话，因而，人们通过现有的宇宙膨胀速度计算出来的宇宙年龄就小于宇宙的真实年龄。这样就可以自然地消除了这个矛盾；2）在利用WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 的缩写）研究宇宙微波背景辐射的各向异性分布（相差的量级为10-5-10-6）时，当人们利用多个理论参量来拟合观测资料时，存在着一些棘手的困难，于是有人曾提出过如果假设宇宙现阶段正在加速膨胀，资料的拟合似乎较好。

不过，上述两方面研究中提出的设想仅仅是理论上的一种猜想而己。导致“宇宙加速膨胀”推论的直接关键观测证据是从1998年开始的对于于Ia型超新星(简写为SNIa)的系统观测研究发现的。这直接导致了存在“宇宙暗能量”的推论。对这个问题感兴趣的朋友可以在网上（网址/9780521516006）查询2010年发表的关于“宇宙暗能量”问题的专著: < Dark Energy – Theory and Observations> ，作者为Luca Amendola & Shinji Tsujikawa。

“宇宙暗能量”问题是从“宇宙现阶段正在加速膨胀”的所谓天文观测现象直接推衍出来的物理结论。这本专著中作者列举了有关于“宇宙加速膨胀”的5种观测证据:1)宇宙年龄同最老的恒星年龄的比较;2)超新星的观测分析;3)宇宙微波背景（CMB）辐射的各向异性分布的分析研究;

4）宇宙早期重子声振荡（BAO）的研究；5）宇宙大尺度结构(LSS)的观测研究。所谓第一种“证据”只能当作是一个尚未知晓的矛盾。后三种“证据”都是建立在相当复杂的理论模型基础上，引进了一些拟合参量。而且也利用了某些数值拟合关系式，这必然存在拟合误差。在利用WMAP的观测来拟合这些参量时，这种间接证据的可靠性与误差分析需要严格认真地分析。关于“宇宙加速膨胀”的最严格、可靠的直接的观测证据被认为是Ia型超新星的观测（证据3））。其它的间接证据是难以同它相比较。

本文是根据2009-2010年间Ia型超新星观测和理论研究的最新进展来论证这个所谓“最严格、可靠的直接的观测证据”是不可靠的。由此出发，“宇宙现阶段正在加速膨胀”和“宇宙暗能量”问题是值得质疑的。

为了分析Ia 型超新星观测所推论的“宇宙加速膨胀”的不可靠性，我们首先从遥远天体（包括星系）距离测量的标准方法与 “标准烛光”说起。

二、标准的距离标：经典造父变星

1912，哈佛大学年轻漂亮的天文观测员Leavitt 小姐在整理小麦哲伦(星)云的(7颗)经典造父变星的观测资料时,按它们亮度变化周期(Π) (从长到短)的次序排到时，意外地发现它们的亮度也同样地(从亮到暗)的次序排列，由此她发现了著名的经典造父变星的亮度变化周期和光度之间的关系(简称周光关系)。近年来人们采用的造父变星的周光关系为

47.2log 15.1)/log(+∏=Θd L L (1),

其中, Πd 为造父变星的(视)亮度变化周期(以天为单位。L 为造父变星的光度, L ⊙ 为太阳光度(3.8⨯1026 焦耳/秒)。后来, 人们通过对遥远距离的星系中的造父变星进行光度测光的细心观测，并利用这个造父变星的周光关系来测定遥远星系的距离。其原理如下：

只要进行的细心测光(现在利用先进的CCD 观测)研究，测定造父变星在亮度极大时的视星等（m ）就可以利用公式

M = m + 5 – 5log D(pc) – A + K (2)

来计算它的在光极大时的绝对星等(M )。式中A 为星际(或星系际)消光改正，K 为星系红移改正值。

不过，人们通常利用不同的光学波段的滤光片来测定不同颜色的视星等(现在较先进的多色测光是U(紫外星等)、B(兰星等)、V(仿视星等)、R(红)、I(近红外)),然后通过较为复杂的方式求出热改正, 归算到绝对热星等(M 热)。只有通过绝对热星等才能从简单关系L M 热log 5.2-= 来计算恒星的光度。

为了较精确地确定上述经典造父变星周光关系的零点值((1)式右端第二项，现在确定为2.47),人们首先对于一些距离相当近的(银河系内的)经典造父变星,通过利用 “三角视差”方法来高精度地测定它们的距离(近年来Hipparcos 卫星可以相当精确地测定太阳附近几个Kpc 内恒星的三角视差，精度高于1⨯10-3 角秒)。并通过上述测光方法来确定它们的绝对热星等和光度。再将这些经典造父变星的光变周期和它们的光度进行统计分析，较准确地给出周光关系的斜率和零点。 在这个较精确的周光关系基础上,只要遥远星系中观测发现了这种经典造父变星,就可以根据它的光变周期计算它的光度(和绝对热星等)。反过来，再通过多色测光测定不同颜色的视星等，结合热改正的研究来推算它(以及它的寄宿星系)的距离。正因为如此，经典造父变星曾经被誉为 “量天尺”。

1924年, Hubble 由此观测发现 仙女座大星云(M31)等等都是离我们非常遥远的河外星系。1929年,

Hubble 惊奇地发现:除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象，而且，距离愈遥远的星系，谱线红移量(z)愈大，几乎与它们的距离成正比。星系光谱线的红移反映了它们正在远离我们运动。所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们而运动，而且距离愈远的星系，远离速度愈快 ------ 这表明了宇宙正在膨胀。也就是说，宇宙膨胀是Hubble 观测发现的星系距离-星系光谱线红移关系式的这个重大发现的直接天文观测证据。