如果Ia型超新星這個“標準蠟燭”並不標準，那暗能量還存在嗎？

Ia型超新星的形成需要一個雙星系統，一個是巨星，一個是白矮星。質量極大的白矮星吸取巨星的物質（主要是氫），當達到1。44個太陽質量時，會發生失控的核聚變，爆炸後沒有遺留產物。

20世紀是一個基礎科學高產的世紀，每隔一段時間，就會出現一些驚天動地的發現，永遠地改變我們對宇宙的看法。早在20世紀90年代末，對遙遠超新星的觀測清楚地表明，宇宙不僅在膨脹，而且離我們越遠的天體正在加速遠離我們。這是一項獲得諾貝爾獎的發現，它不僅告訴了我們宇宙的命運，而且還指出了宇宙中存在著大量的暗能量。

僅就一項超新星資料就得出瞭如此重要的結論，那如果我們對超新星的理解有誤，它作為“標準燭光”讓我們得出了錯誤的天體距離，那麼宇宙是否還在加速膨脹？暗能量是否仍然存在？

為了回答這個問題，讓我們先回到100年前看看哈勃當時如何發現宇宙在膨脹，以及他又犯了什麼錯誤！

1923年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）開始著手研究天空中模糊的“螺旋狀星雲”，並觀察其中的新星，以試圖增加人們對這些未知天體的認知。當時一些人認為它們是銀河系中的原恆星，而另一些人則認為它們是宇宙島嶼，距離我們的銀河系數百萬光年，由數十億顆恆星組成。

那一年的10月6日，哈勃正在觀察仙女座大星雲，他看到一系列新星爆發事件，第一顆，然後是第二顆，然後是第三顆。緊接著一件前所未有的事情發生了：第四顆新星爆發的位置竟然與第一顆新星位置相同。

新星爆發確實會在同一位置重複的發生，但這通常需要幾百年或幾千年的時間，因為新星是一顆坍縮的白矮星緩慢地吸積周圍或者伴星的燃料，等積聚到足夠的質量時，在其表面點燃核聚變，一般這種吸積的過程都比較緩慢。在我們所發現的所有新星中，即使是最迅速的吸積燃料也需要很多年才能再次爆發。一顆新星只需要幾個小時就可以重複的出現？這顯然不可能。

當時哈勃知道有種天體可以在幾小時內從亮變暗再變亮：那就是變星！（因此，他在上圖中把“N”劃掉（nova新星），激動地寫下了“VAR！”）

美國天文學家勒維特（Henrietta Leavitt）在哈勃之前就對大麥哲倫星雲中的大量變星做了研究，她發現造父變星（Cepheid variable stars）在某一特定週期會變亮或變暗，而這一週期與變星的內在亮度有關。也就時說如果我們測量變星的光度變化週期，就可以知道變星的內稟亮度，這個關係就是我們熟知的周光關係。而且我們還可以很容易地測量出變星的表光亮度，根據內稟亮度和表觀亮度就可以知道這個恆星離我們有多遠，因為在幾百年前我們就已經知道了亮度/距離的關係！（距離的平方反比關係）

所以，哈勃就利用已知關於變星的知識以及在螺旋狀星雲（現在稱為星系）中發現的變星來測量星系與我們的距離。然後，哈勃再將已知的紅移效應與星系的距離結合起來，就得出了哈勃定律，並計算出了宇宙的膨脹率。

但不幸的是，哈勃當時得出來的關於膨脹率的資料完全是錯誤的！不過我們現在經常會忽略哈勃這個錯誤地資料，依然認為他是正確的。為什麼呢？

因為哈勃當時在星系中測量的造父變星與亨麗埃塔·勒維特測量的造父變星有著本質上的不同。後來我們才知道造父變星其實分為兩類，但當時哈勃並不知情。雖然哈勃定律仍然成立，但他對距離的最初估計太低了，所以他對宇宙膨脹率的估計就太高了。隨著時間的推移，我們得到了正確的結論，雖然整體的結論（宇宙在膨脹、螺旋狀星雲是遠遠超出銀河系的獨立星系）沒有改變，但膨脹的細節確實改變了！所以我們依據認為哈勃是正確的。

現在，我們回到今天。如果超新星的資料是錯誤的，那我們今天認為的加速膨脹的宇宙和暗能量是否正確？

近幾年我們確實發現了不同型別的Ia型超新星

宇宙的量天尺，從視差法到造父變星距離是越來越遠，但是更遠的距離造父變星的光度也會太暗無法測量。但超新星比造父變星要亮得多，它的亮度經常會超過（短暫的超過）整個星系。在數百萬光年之外，（超過100億光年的距離）它們也可以被觀測到，這讓我們可以探索越來越遠的宇宙。另外，一種特殊型別的超新星（Ia型超新星），產生於白矮星內部失控的聚變反應。

當Ia型超新星爆發時，整個恆星都會被摧毀。但更重要的是，我們一直認為Ia型超新星有著固定的光度曲線，由於爆發時白矮星的質量總是太陽的1。4倍，故其光度是一定的。

到20世紀90年代末，在足夠大的距離上收集了足夠多的Ia型超新星資料，當時兩個獨立的團隊（高z超新星搜尋團隊和超新星宇宙學專案）都宣佈，基於這些資料，宇宙的膨脹正在加速膨脹，並且存在某種形式的暗能量支配著宇宙。

當時許多人對此持懷疑態度，如果我們對Ia型超新星的理解有誤，就像哈勃當時對變星的理解有誤，那麼宇宙加速膨脹、暗能量的存在、宇宙的終極命運，這些結論都會存在問題。

首先，超新星的產生有兩種不同的方式：來自伴星的物質的吸積（L）和來自與另一顆白矮星的合併（R）。這兩種方式會產生同一型別的Ia型超新星嗎？

另一方面，這些距離很遠的超新星可能發生在非常不同的環境中，也就是說與我們周圍的環境不同。Ia型超新星爆發時所產生的光度曲線與我們今天看到的光度曲線相同嗎？

還有一種可能是，當光從很遠的地方到達我們的眼睛時，會不會發生一些意想不到的變化？

事實證明，這些問題都不是問題，已經被科學家排除在外了。但是如果我們發現這些所謂的“標準蠟燭”可能並不那麼標準。就像造父變星有不同的種類一樣，Ia型超新星也有不同的種類。

想象一下，現在有一盒蠟燭，我們認為它們彼此之間都是一樣的，然後點燃這些蠟燭，並把它們放在不同的距離上，我們僅需要測量觀測到的蠟燭亮度，就可以知道它們離我們有多遠。這是天文學中“標準燭光”背後的科學理念，也是透過Ia型超新星觀測星系距離的原理。

現在想象一下，如果這些蠟燭的火焰亮度並不完全一樣！有兩種型別的蠟燭，有些亮，有些暗。在我們附近可能有更多比較亮的蠟燭，在遠處可能有更多比較暗的蠟燭。

在近幾年我們確實發現了有兩種不同的型別的超新星，一種在藍色/紫外線下稍亮，另一種在紅色/紅外線下稍亮，它們所遵循的光曲線略有不同。這可能意味著，在測量高紅移（大距離）星系時，我們發現的超新星實際上是在本質上亮度更弱，而不是因為它們離我們更遠。也就是說我們可能透過這些標準燭光測得的星系距離有誤！

換句話說，我們得出的結論：宇宙正在加速膨脹，可能是基於對資料的誤解！

如果我們真的把這些超新星的距離搞錯了，我們可能會把宇宙的膨脹率搞錯，那麼暗能量的含量也可能是錯的！更大的問題是，可能不存在暗能量。較小的問題是，暗能量仍然存在，但暗能量可能比我們先前認為的要少。

那麼，這兩個問題哪一個合理？其實是小問題！因為在1998年以前，我們只有超新星的資料指向了暗能量。但隨著時間的推移，我們獲得了另外兩項數量，它們提供了同樣有力的證據，證明了暗能量的存在，以及其含量的正確性。

雖然超新星資料存在微小的差異，但還有其他證據表明暗能量的存在

宇宙微波背景（CMB）

WMAP和後來的更高精度的普朗克（Planck）測量了大爆炸遺留下來的輝光，它們的波動強烈地表明，宇宙大約是5%的正常物質，27%的暗物質，約68%的暗能量。雖然微波背景本身並不能很好地告訴我們暗能量的性質是什麼，但它確實告訴了我們，宇宙中大約2/3的能量以非塊狀和大質量的形式存在。

星系聚集的方式。

在早期宇宙中，暗物質和普通物質的含量以及它們如何與輻射相互作用，決定了今天宇宙中的星系是如何聚集在一起的。如果今天我們在宇宙的任何地方看到一個星系，有一種奇怪的性質，那就是我們更有可能在離它5億光年遠的地方看到另一個星系，而不是在距離它4億光年或6億光年遠的地方。這是由於一種被稱為重子聲振盪的現象（BAO），因為在氣體雲一開始聚整合星系時，正常物質會被輻射推出去，而暗物質則不會。

那麼這個星系之間的特定距離就暗示了宇宙的膨脹率。如果當宇宙膨脹率發生變化，那5億光年的平均尺度也會發生變化。和“標準蠟燭”相比，BAO是一個更“標準的尺子”，我們也可以用它來測量暗能量。

事實證明，來自BAO的測量結果目前和來自超新星的測量結果一樣好，而且似乎給出了同樣的結果：一個宇宙大約有70%的暗能量，並且與宇宙常數一致。

事實上，如果我們把這三個資料集結合起來，我們會發現它們都指向大致相同的圖景。

我們從中瞭解到，暗能量的實際數量和我們從超新星中推斷出的暗能量型別可能會以一種微妙的方式發生微小的變化，而這實際上可能有利於使這三種方法（超新星、宇宙微波背景輻射和BAO）更好地協調一致。因此一個錯誤的假設不會導致所有的結果和結論都是錯誤的，而是幫助我們更準確地理解一個自我們首次發現以來就困惑我們的現象。

因此暗能量是真實存在的，雖然我們發現了Ia型超新星存在不同的型別，其作為標準燭光可能會影響我們對星系距離的判斷，但這種微小的變化並不意味著以前的科學結論是錯誤的。