如果Ia型超新星这个“标准蜡烛”并不标准，那暗能量还存在吗？

Ia型超新星的形成需要双星系统，一颗是巨星，一颗是白矮星。质量极大的白矮星吸收了巨星的物质（主要是氢）。当它达到1.44个太阳质量时，就会发生失控核聚变，爆炸后就没有剩余产物了。

20世纪是基础科学高产的世纪。每隔一段时间，就会出现一些惊天动地的发现，这些发现将永远改变我们对宇宙的看法。早在1990年代后期，对遥远超新星的观测就清楚地表明，不仅宇宙在膨胀，而且离我们较远的物体也在加速远离我们。这是一项获得诺贝尔奖的发现，它不仅告诉我们宇宙的命运，也指向宇宙中存在着巨大的暗能量。

我仅根据一颗超新星数据就得出了如此重要的结论，那么如果我们对超新星的理解是错误的，它作为“标准蜡烛”让我们与天体的距离错误，那么宇宙是否还在加速？胀？暗能量还存在吗？

要回答这个问题，让我们回到100年前，看看哈勃是如何发现宇宙膨胀的，犯了哪些错误！

1923年，埃德温·哈勃（埃德温·哈勃饰）开始研究天空中模糊的“螺旋星云”，观察其中的新星，企图增加人们对这些未知天体的认识。当时有人认为它们是银河系中的原恒星，而另一些人则认为它们是距离我们银河系数百万光年、由数十亿颗恒星组成的宇宙岛屿。

当年10月6日，哈勃正在观测仙女座星云。他看到了一系列的新星爆炸，第一次，然后是第二次，然后是第三次。紧接着，前所未有的事情发生了：第四颗新星爆发的位置，竟然和第一颗新星的位置一样。

新星爆炸确实会在同一地点反复发生，但这通常需要数百年或数千年的时间，因为新星是一颗正在坍缩的白矮星，它会慢慢从周围或伴星中吸积燃料，直到质量大于足够大时质量，核聚变在其表面被点燃，并且通常这种吸积过程相对缓慢。在我们发现的所有新星中，即使是吸积速度最快的燃料也需要很多年才能再次爆发。一颗新星只需要几个小时就可以反复出现？这显然是不可能的。

当时哈勃就知道有一种天体可以在几个小时内由亮变暗再亮：那就是变星！（因此，他划掉了上图中的“N”（新星），兴奋地写下了“VAR！”。）在研究了大量变星后，她发现造父变星（Cepheidvariablestars）在变星过程中变亮或变暗。一定的周期，这个周期与变星的本征亮度有关。也就是说，如果我们测量变星的光度变化周期，就可以知道变星的本征亮度。这种关系就是众所周知的循环光关系。而且我们还可以轻松测量变星的表观亮度。根据本征亮度和表观亮度，我们可以知道恒星离我们有多远，因为我们在几百年前就知道了亮度/距离关系！（距离的平方反比关系）

于是，哈勃利用已知的变星和螺旋星云（现在称为星系）中发现的变星来测量星系离我们的距离。哈勃随后将已知的红移效应与星系的距离相结合，得出哈勃定律并计算出宇宙的膨胀率。

不幸的是，哈勃关于通货膨胀的数据是完全错误的！但现在我们往往忽略了哈勃的错误数据，仍然认为他是正确的。为什么？

因为哈勃当时在银河系中测量的造父变星与亨丽埃塔·勒维特测量的造父变星有着根本的区别。后来我们才知道，造父变星其实分为两类，只是哈勃当时并不知道。虽然哈勃定律仍然成立，但他最初对距离的估计太低，因此他对宇宙膨胀率的估计太高。随着时间的推移，我们得出了正确的结论，虽然总体结论（宇宙在膨胀，螺旋星云是远离银河系的独立星系）没有改变，但膨胀的细节却发生了变化！所以我们的基础是哈勃是对的。

现在，让我们回到今天。如果超新星数据是错误的，那么我们今天所认为的加速宇宙和暗能量是否正确？

近年来，我们确实发现了不同类型的Ia型超新星

宇宙的测量标尺，从视差法到造父变星的距离越来越远，但是造父变星的光度恒星也离得更远，因为太暗而无法测量。但是超新星比造父变星要亮得多，而且它们通常（短暂地）比整个星系都亮。它们也可以在数百万光年之外（距离超过100亿光年）被观测到，使我们能够探索越来越远的宇宙。此外，一种特殊类型的超新星（Ia型超新星）是由白矮星内部失控的聚变反应产生的。

当Ia型超新星爆炸时，整颗恒星都会被摧毁。但更重要的是，我们一直认为Ia型超新星具有固定的光度曲线。由于白矮星爆炸时的质量总是太阳质量的1.4倍，所以它的光度是恒定的。

到1990年代后期，已经在足够远的距离收集到足够多的Ia型超新星数据，以至于两个独立的团队（高z超新星搜索团队和超新星宇宙学项目）都宣布，基于这些数据，扩展宇宙正在加速，并且有某种形式的暗能量主宰着宇宙。

当时很多人对此持怀疑态度。如果我们对Ia型超新星有错误的认识，就像哈勃当时对变星有错误的认识，那么宇宙的加速膨胀，暗能量的存在，宇宙的最终命运，这些结论都是有问题的。

首先，超新星以两种不同的方式产生：来自伴星(L)的物质吸积和与另一颗白矮星(R)的合并。这两种方法产生的Ia型超新星类型相同吗？

另一方面，这些非常遥远的超新星可能发生在非常不同的环境中，也就是说，与我们周围的环境不同。Ia型超新星产生的光度曲线和我们今天看到的一样吗？

另一种可能性是，当光线从远处射入我们的眼睛时，会不会有一些意想不到的变化？

事实证明，这些问题都不是问题，都被科学家排除了。但是如果我们发现这些所谓的“标准蜡烛”可能并不是那么标准。正如有不同种类的造父变星一样，也有不同种类的Ia型超新星。

想象一下，现在有一盒蜡烛，我们认为它们是一样的，然后点亮这些蜡烛，把它们放在不同的距离，我们只需要测量蜡烛的观察亮度，我们就可以知道他们离我们有多远。这就是天文学中“标准烛光”背后的科学理念，以及Ia型超新星如何测量星系的距离。

现在想象一下，如果这些蜡烛的火焰不是一样的明亮！有两种类型的蜡烛，一些是浅色的，一些是深色的。我们附近可能有更多更亮的蜡烛，而更远的地方可能有更多更暗的蜡烛。

近年来我们确实发现了两种不同类型的超新星，一种在蓝色/紫外光中略亮，一种在红色/红外光中稍亮，它们遵循略微不同的光变曲线。这可能意味着，在测量高红移（远距离）星系时，我们发现的超新星实际上本质上亮度较低，而不是因为它们距离较远。这意味着我们用这些标准烛光测量的星系距离可能是错误的！

也就是说，我们得出的宇宙正在加速膨胀的结论，可能是基于对数据的误解！如果我们真的弄错了这些超新星的距离，我们就会弄错宇宙的膨胀率，暗能量的数量也会弄错！一个更大的问题是暗能量可能不存在。较小的问题是暗能量仍然存在，但它可能没有我们之前想象的那么暗。

那么，这两个问题，哪个是合理的呢？其实是个小问题！因为在1998年之前，我们只有指向暗能量的超新星数据。但随着时间的推移，我们获得了另外两个量，它们为暗能量的存在及其数量的正确性提供了同样有力的证据。

虽然超新星数据存在微小差异，但还有其他证据表明暗能量爆炸遗留下来的辉光及其波动强烈表明宇宙大约有5%的正常物质，27%的暗物质，以及大约68%的暗能量。虽然微波背景本身并不能很好地告诉我们暗能量的本质是什么，但它确实告诉我们宇宙中大约2/3的能量以非块状和大质量的形式存在。

星系聚集在一起的方式。

早期宇宙中暗物质和普通物质的数量，以及它们如何与辐射相互作用，决定了当今宇宙中星系如何聚集在一起。如果我们今天在宇宙中的任何地方看到一个星系，它有一个奇怪的特性，即我们更有可能看到另一个5亿光年以外的星系，而不是4亿光年或6亿光年以外的星系。这是由于一种称为重子声学振荡(BAO)的现象，因为正常物质被辐射推出，而气体云首先聚集形成星系，而暗物质则不然。

然后星系之间的这个特殊距离暗示了宇宙的膨胀率。如果宇宙膨胀率发生变化，5亿光年的平均大小也会发生变化。与“标准烛光”相比，BAO是更“标准的尺子”，我们也可以用它来测量暗能量。

事实证明，目前BAO的测量结果与超新星的测量结果一样好，而且似乎给出了相同的结果：宇宙中暗能量约为70%，与宇宙学常数一致。

事实上，如果我们将这三个数据集结合起来，我们会发现它们都指向大致相同的图片。

从中我们了解到，实际的暗能量数量和我们从超新星推断出的暗能量类型可能会以微妙的方式略有不同，这可能实际上有利于三种方法（超新星、宇宙微波背景辐射和BAO）更好对齐。因此，一个错误的假设不会让所有的结果和结论都出错，而是可以帮助我们更准确地理解一个自我们第一次发现它以来就一直困扰着我们的现象。

所以暗能量是真实存在的，虽然我们已经发现了不同类型的Ia型超新星，作为标准烛光可能会影响我们对星系距离的判断，但是这个微小的变化并不代表之前的科学结论是错的。