强透镜型Ia型超新星能解决宇宙学最大争议之一吗？【博科园-科学科普（关注“博科园”看

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【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】1929年埃德温·哈勃在展示宇宙膨胀的时候让很多人大吃一惊，包括爱因斯坦。1998年两组天文学家证明宇宙膨胀实际上是由于一种被称为暗能量的神秘属性而加速膨胀。这一发现为现在的宇宙模型提供了第一个证据：“Lambda-CDM”，它说宇宙大约有70%的暗能量，25%的暗物质和5%的“正常”物质(我们所观察到的一切)。直到2016年，Lambda-CDM与数十年的宇宙学数据达成了一致。然后一个研究小组用哈勃太空望远镜对当地宇宙膨胀率进行了非常精确的测量。

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这两个天体物理模拟的组合显示了Ia型超新星(紫色圆盘)在不同的微透镜放大模式(彩色的场)上展开。由于透镜星系中的单个恒星可以显著改变透镜的亮度，所以超新星的区域可以经历不同程度的亮度和亮度的变化，科学家认为这将是宇宙学家测量时间延迟的一个问题。利用NERSC的详细计算机模拟，天体物理学家表明，这将对时延宇宙学产生很小的影响。图片版权：Danny Goldstein/UC Berkeley

结果是另一个惊喜：研究人员发现，宇宙膨胀的速度要快于Lambda-CDM和宇宙微波背景(CMB)，这是来自大爆炸的残余辐射。所以这似乎是不对的——这种差异可能是一个系统性的错误，或者可能是新的物理学?劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的天体物理学家和英国朴茨茅斯大学的宇宙学和引力研究所认为，强烈的lensed Ia型超新星是回答这个问题的关键。在一篇新的天体物理学杂志的论文中，他们描述了如何控制“微透镜”，这是许多科学家相信的物理效应，这将是这些新的宇宙探测器所面临的不确定性的主要来源。他们还展示了如何实时识别和研究这些罕见的事件。

自从宇宙微波背景的结果出来，证实了加速宇宙暗物质的存在，宇宙学家一直试图做出更好的和更好的测量的宇宙学参数，减少误差，（彼得·纽金特说伯克利实验室的天体物理学家的计算宇宙学中心(C3)和研究报告的合著者）。误差棒现在非常小，应该能够说‘这个和是一致的’，所以2016年的研究结果给宇宙学带来了巨大的张力。论文提出了一条前进的道路，以确定当前的分歧是真实的还是错误的。

更好的距离标记可以为宇宙历史提供更明亮的光

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物体在太空中的距离越远，它到达地球的时间就越长。所以我们看得越远，看到的时间就越早。几十年来Ia型超新星一直是特殊的距离标记，因为它们在宇宙中无论处于什么位置，亮度都非常的明亮和相似。通过观察这些天体，科学家们发现暗能量正在推动宇宙膨胀。但是去年，一个国际研究小组发现了一个更可靠的距离标记——这是有史以来第一个强烈的透镜状Ia型超新星。这些事件发生时，一个巨大物体的引力场——像一个星系——弯曲并重新聚焦在它后面的Ia型事件的光。这种“引力透镜效应”使超新星的光看起来更亮，有时在多个位置，如果光线沿着巨大的物体传播不同的路径。

由于大质量物体周围的不同路径比其他路径长，所以同一类型Ia的不同图像的光会在不同的时间到达。通过追踪强烈透镜图像之间的时间延迟，天体物理学家相信他们可以得到宇宙膨胀率的精确测量。加州大学伯克利分校的研究生和《天体物理学》杂志上论文的第一作者丹尼·戈尔茨坦说：强烈的透镜状超新星比传统的超新星更罕见——它们是五万分之一。虽然这测量最初是在1960年代提出的，它从来没有因为只有两个强烈有透镜的超新星被发现到目前为止,都是经得起时间延迟测量。

在运行计算密集型的超新星的模拟光在国家能源研究科学计算中心(·),能源部科学办公室用户设施位于伯克利实验室,Goldstein和纽金特怀疑他们能找到约1000的强烈有透镜的Ia型超新星在即将到来的大口径综合巡天望远镜收集的数据(口径)——20倍比先前的预期。这些结果是他们在《天体物理学杂志》上发表的新论文的基础。有三个透镜状的类星体——宇宙信标来自星系中心的巨大黑洞，我和我的合作伙伴将膨胀率测量到了百分之3.8的精确度。

得到的值高于CMB的测量值，但是我们需要更多的系统来确定是否有什么东西与宇宙学的标准模型相矛盾。用类星体来测量时延可能需要数年时间，但这项工作表明可以在几个月内完成超新星的测量。一千个透镜的超新星将让我们真正确定宇宙学。除了识别这些事件之外，NERSC的模拟还帮助他们证明了强透镜型Ia超新星可以是非常精确的宇宙探测器。当宇宙学家试图测量时间延迟时，经常遇到的问题是透镜星系中的单个恒星会扭曲事件的不同图像的光曲线，使它们更难匹配。这种效应被称为‘微透镜效应’，使得测量精确的时间延迟变得更加困难，而这对于宇宙学来说是至关重要的。

但在进行了模拟实验之后，Goldstein和Nugent发现，微透镜在早期阶段并没有改变强透镜型Ia型超新星的颜色。因此研究人员可以通过使用颜色而不是光曲线来减去微透镜效应。一旦这些不良影响被消减，科学家将能够轻松地与光曲线相匹配，并做出精确的宇宙测量。通过使用SEDONA代码对超新星进行建模，得出了这个结论，该代码是通过先进计算(SciDAC)研究所的两个DOE科学发现的资金开发的，用于计算非信息超新星模型的光曲线、光谱和极化。在21世纪早期，能源部资助了两个SciDAC项目来研究超新星爆炸，我们基本上把这些模型的输出结果通过一个透镜系统来证明其效果是无色的。

这篇论文的合著者伯克利实验室核科学部门的天体物理学家丹尼尔·卡森(Daniel Kasen)说：这些模拟给我们展示了一幅超新星的内部工作原理的令人眼花的画面，我们不可能知道它的细节。高性能计算的进展终于让我们了解了恒星的爆炸死亡，这项研究表明，这些模型需要找到测量暗能量的新方法。当LSST在2023年开始全面调查时，它将能够在3个晚上的时间里从位于智利中北部的Cerro Pachon脊上扫描整个天空。在10年的任务中，LSST预计将交付超过200 pb的数据。作为LSST暗能量科学合作的一部分，Nugent和Goldstein希望他们能够通过一个基于NERSC的新型的超新星探测管道来运行这些数据。

纽金特的实时瞬态检测管道在·使用机器学习算法来冲刷观测收集的瞬间因素(PTF),然后中间PTF(iPTF)——每天晚上寻找“瞬时”对象，改变亮度或位置的比较新的观察和收集所有的数据从之前的晚上。在一个有趣的事件被发现后几分钟内，NERSC的机器就会在全球范围内触发望远镜收集后续观测结果。事实上今年早些时候，正是这条管道揭示了有史以来第一个强烈透镜状的Ia型超新星。Nugent说：我们希望为LSST做的事情与我们为Palomar所做的类似，但是乘以100。

从LSST每天晚上都会有大量的信息。我们想要获取这些数据然后问我们对天空的这部分有什么了解，之前发生过什么，这是我们对宇宙学感兴趣的东西吗？一旦研究人员确定了强透镜超新星事件的第一束光，计算模型也可以用来精确预测下一个光何时出现。天文学家可以利用这一信息触发地面和太空望远镜追踪并捕捉到这种光，这基本上可以让他们在超新星爆炸后观测到一颗超新星。21年前我来到伯克利实验室研究超新星辐射传输模型，现在我们第一次用这些理论模型来证明我们可以更好地做宇宙学。看到能源部从几十年前开始的计算宇宙学投资中获益，这是令人兴奋的。

知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：天体物理期刊
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：劳伦斯伯克利国家实验室
编译：中子星
审校：博科园
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传播：博科园