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来自星星的礼物——宇宙加速膨胀的发现 | 载物杯科普征文作品

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发表于 2017-7-17 10:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 zhangms 于 2017-7-17 10:53 编辑

原创  2017-07-13  林钰辉  中科院高能所

■林钰辉/文


“上下未形,何由考之”?从远古以来,宇宙的形成与演化一直都是人类的“天问”。我们从哪里来?我们是谁?未来将往何处去?人们探索宇宙的脚步从未停歇,从某种意义上来说,这其实也是探索人类自身的命运。

在新千禧年即将到来的1998年,当那首“来吧来吧相约九八”红遍大江南北的时候,天文学家们也和伟大的造物来了次“甜蜜的相约”。然而,这次约会的结果却让人大吃一惊——来自美国和澳大利亚的两个研究小组宣称:在这场相约中,借助遥远的Ia型超新星,他们更清楚地看到了宇宙的真容,她非但不是在减速膨胀,反而是在加速膨胀!

一石激起千层浪,这一发现震惊了当时的物理学界!宇宙万物相互吸引,按理说宇宙的膨胀应该是减慢的,难道除了无处不在的万有引力,还存在着万有斥力?如果答案是肯定的,那么这种无形的外推力究竟又是什么呢?为什么说这一出乎意料的结果是来自星星的礼物呢?

这一切,都要从那位如雷贯耳的哈勃说起。

星云世界的水手

时光回溯七十年,哈勃在研究河外星系的距离时发现,大多数星系都在远离我们而去,并且离得越远的星系,退行的速度反而越快,这就是著名的哈勃定律。它表明,我们所生活的宇宙就像一只正在充气的大气球,是在不断膨胀的(见图1)!那么,这一结论是依据什么得出来的呢?


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图1 膨胀的宇宙犹如正在充气的气球,星系就像气球上的斑点。随着气球的胀大,斑点的间距也不断增大。图片来源:网络。

假设有一支发光很稳定的蜡烛,当我们从不同的距离上观察时,在离我们近一些的地方看起来会更亮,而在远处看上去则暗一些。如果我们知道蜡烛本身有多亮,根据看到的明暗程度,就可以计算出蜡烛与我们之间的距离。非常幸运,宇宙中的某些天体就像这种“蜡烛”,它们的发光非常稳定,根据上述原理,这类天体可以作为标准尺,用来测量遥远空间的距离,我们称之为“标准烛光”(见图2)。

另一方面,和声波类似,由于多普勒效应的存在,光的波长也会因为光源和观察者的相对运动而产生变化。当光源远离我们而去时,光的波长会被拉长,而波长越长,它的颜色就越红。当所观测的天体远离我们时,它所发出的光会被拉长,从光谱上来看,跟静止时相比,它的谱线会朝着红端移动,这就是所谓的“红移现象”(见图3)。通过测量谱线红移的大小,可以推断出天体远离我们的速度。

基于上述两个原理,哈勃利用亮度周期变化的造父变星作为标准烛光,测定了二十多个星系的距离,并研究了它们的红移,计算出它们的退行速度。然后他将星系距离和退行速度对应起来,绘制在了同一张图上(见图4)。可以发现,距离我们越远的星系,它的退行速度越快,二者几乎成正比,这一比例系数被后人称为“哈勃常数”。

哈勃的发现让天文学界兴奋不已,这一结果表明,广义相对论的预言完全正确,宇宙不是静止不变的,它在膨胀!爱因斯坦得知这一消息后,评价哈勃的工作“对宇宙的研究具有划时代的意义”,并宣称自己坚持稳态宇宙而引入的宇宙学常数是“一生中所犯的最大错误”。由于哈勃在研究星系和宇宙方面的开创性贡献,他也被尊称为“星云世界的水手”。

虽然哈勃的发现开辟了人类认识宇宙的新时代,但遗憾的是,当时哈勃并不清楚造父变星实际上有好几种,它们的亮度周期变化也不尽相同,于是得到的哈勃常数比今天所采用的值大了8倍,这样导出的宇宙年龄只有20亿年,甚至小于地球的年龄!受限于当时的观测水平,这一矛盾在很长时期内都没有得到解决,正因如此,哈勃的发现犹如昙花一现,宇宙学的研究进展也几乎停滞不前。

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图2 根据标准烛光的明暗,我们可以确定遥远空间的距离。图片来源:网络。

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图3 当光源远离xs我们而去时,光的谱线发生了红移。图片来源:网络。

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图4 哈勃绘制的退行速度-星系距离关系。图中的一个点代表一个河外星系,横坐标表示星系距离,纵坐标表示退行速度。可以发现,距离越远,退行速度就越大。图片来源:E. Hubble.PNAS. 1929, 15: 172.

高红移Ia型超新星巡天

哈勃的失败告诉我们,观测宇宙膨胀最关键之处在于找到可靠的天体作为标准烛光,Ia型超新星的横空出世让人们看到了新的曙光。

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图5 白矮星从其伴星吸积物质,当其自身质量达到约1.4倍太阳质量时,就会发生核爆炸,形成Ia型超新星。图片来源:http://www.nobelprize.org.

天文学家观测发现,宇宙中的恒星常常会成双成对地出现,它们犹如亲密的伴侣在牵手共舞,一边相互绕转,一边把物质源源不断地从那颗较暗的伴星传输给另一颗较亮的主星。如果这样的双星系统是由白矮星及其伴星构成,当白矮星吸积的物质不断累积,其自身质量达到约1.4倍太阳质量时,就会发生核爆炸,形成Ia型超新星(见图5)。由于大多数白矮星发生超新星爆发时都比较接近这个质量上限,而且光的输出主要来自爆炸中产生的放射性镍和钴的衰减所发出的能量,因此有理由推测,超新星爆发时的亮度也应该差不多。超新星极其明亮,最亮时相当于数十亿甚至上百亿个太阳同时发光,因此我们能够观测到非常遥远的在宇宙学尺度上的这种超新星爆发。更为重要的是,它们发光的最大亮度几乎是相同的。

由于超新星的上述特点,它们成为了一种有效的研究宇宙大尺度结构的距离指示器。从上世纪90年代以来,美国的超新星宇宙学计划研究组和澳大利亚的高红移超新星搜索团研究组相继成立。利用当时世界上最先进的设备,他们坚持不懈地在连续几年的时间里,对高红移Ia型超新星进行了观测,系统地研究了宇宙膨胀现象。

两个团队的想法和工作方案接近相同,大体可简要叙述如下:利用高红移Ia型超新星作为标准烛光,假定所有超新星的“绝对亮度”(即其本身的亮度)相等,那么,根据观测到的一颗Ia型超新星的视亮度,就可以推测出它到我们的距离。另一方面,通过分析这些超新星的光谱,可以从中测出超新星的“红移”。如果将测到的Ia型超新星的红移和距离一一对应起来,就可以画出哈勃图,从而获知宇宙膨胀速率的变化。因此,研究计划的核心就是搜寻高红移的Ia型超新星。基于对近邻的Ia型超新星亮度变化的研究成果,根据高红移超新星爆发时观测到的亮度变化特征就能准确地推断出他们的最大亮度。为此,如果希望这把量天尺更加精准,就要尽可能在超新星爆发达到最大亮度前就发现它们。

实际观测中,两个团队采用了“比较法”来搜寻超新星。他们首先将星空划分成了许多不同的区域,然后从中选择了50~100个天区,并且确保每个天区中都有近千个高红移的星系。农历的每月月初,首先用CerroTololo的4米口径望远镜对所有这些天区进行为期两天的观测。时隔三个星期后,再次观测同样的天区,并立即对比两次拍摄的几十万个高红移星系的巡天照片。如果发现巡天照片中任何一个星系的亮度有变化,说明该星系中很可能存在超新星爆发,就立即对其进行后续的观测(见图6)。同时,通过对其光谱的分析,确认是否为Ia型超新星。一般情况下,Ia型超新星的亮度逐渐达到最大的过程要长于三个星期,在本次搜寻中可能会发现一二十颗还在变亮的Ia型超新星。一旦发现这样的超新星,随即使用哈勃太空望远镜(见图7)以及CerroTololo、WIYN、IsaacNewton和ESO等天文台的地面望远镜在之后的几个月时间中继续监测它们的亮度变化特征。对于红移非常高的超新星,甚至还需要使用哈勃太空望远镜对其进行两个以上颜色的测光,并利用10米口径的Keck望远镜(见图8)在其亮度最大时进行光谱观测。通过这些观测,一方面从巡天得到的超新星候选者中可靠地选出了Ia型超新星,另一方面又提供了准确测定这些Ia型超新星最大亮度的光变数据。

正如前面所提到的,为了绘制哈勃图,除了超新星的亮度信息,还需要其红移信息,因此还要利用Keck望远镜或哈勃太空望远镜测定超新星所在星系的光谱,再从中分析得到超新星的红移大小。因为超新星爆发的亮度达到峰值后,会经历为期数月的衰减期,所以一年之后还必须对超新星所在的星系重新进行测光,以准确地扣除星系背景而得到超新星的精确亮度。这一系列观测方案的流程如图9所示。


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图6 超新星宇宙学计划研究组组演示如何通过比较法找超新星:对比相隔三周拍摄的两幅巡天照片,如果发现任何一个星系的亮度有变化,就立即对其进行后续观测。图片来源:网络。

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图7 哈勃太空望远镜。图片来源:网络。

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图8 Keck望远镜。图片来源:网络。

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图9 搜寻高红移超新星的方案示意图。图片来源:PhysicsToday。

值得注意的是,由于高红移超新星发出的光传播到地球经历了很长时间,而在这期间宇宙一直在膨胀,因此我们接收到的光与高红移超新星所发射出的光相比,波长已经有了明显的红移。要利用测光和光变曲线准确地测定超新星的最大亮度,一个重要的步骤就是必须对观测到的超新星进行红移修正。利用已知相对距离和亮度的近邻低红移超新星光变曲线数据,两个研究团队分别发展出了不同的红移修正方法。将修正后的高红移超新星光变曲线与从近邻低红移

超新星所得曲线进行比较,就可以准确地定出Ia型超新星的最大亮度(见图10)。观测表明,修正后的Ia型超新星光变曲线与近邻超新星的观测结果符合得很好。这种经红移修正后的一致性,排除了红移是由于光子疲劳等其它原因造成的,进一步证实了它的宇宙学性质,也就是说红移的确是因为宇宙膨胀所导致的。

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图10 上图:不同的低红移超新星光变曲线,它们的相对距离和光度是确定的;下图:超新星宇宙学计划研究组使用拉伸因子方法修正后得到的Ia型超新星光变曲线。图片来源:网络。

宇宙加速膨胀的观测证据

按照前文所述的巡天方法,S.Perlmutter领导的超新星宇宙学计划研究组(以下简称SCP组)和B. Schmidt领导的高红移超新星搜索团研究组(以下简称HZT组)展开了激烈的竞争。

根据广义相对论,宇宙的组分由三部分构成:辐射成分Ωr重子与暗物质Ωm暗能量ΩΛ。在宇宙学研究中,把这些组分的比例称之为“宇宙学参数”。利用高红移Ia型超新星的观测结果,两个研究团队测量宇宙学参数的思路如下:(1)做了红移修正的处理后,根据Ia型超新星的标准烛光特性,可以得到其视星等(与前文中提到的Ia型超新星与我们之间的距离是等价的)与红移的关系,也就是哈勃图;(2)通过参数拟合,确定重子与暗物质Ωm和暗能量ΩΛ这两个宇宙学参数,然后估算出宇宙膨胀减速因子q0如果q0小于零说明宇宙在加速膨胀。

SCP组首先选取了自身观测到的42颗红移z在0.18~0.83之间的高红移Ia型超新星,分析其视亮度与红移的关系,同时他们还分析了Calan-Tololo超新星巡天的18颗红移z小于0.1的低红移Ia型超新星样本(见图11)。SCP组的观测数据首先排除了暗能量组分ΩΛ小于或者等于零的可能性。如果假设宇宙是平坦的,那么观测数据给出重子物质和暗物质组分Ωm所占比例约为0.28,导出的宇宙年龄约为134亿年。同时,参数拟合的结果给出宇宙膨胀减速因子为-0.58,负号说明宇宙的膨胀不是在减速,而是在加速(见图13)!

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图11 根据SCP组观测的42颗高红移Ia型超新星以及Calan-Tololo超新星巡天给出的18颗较低红移Ia型超新星绘制的哈勃图,横轴为红移z,纵轴为有效蓝色视星等(绝对星等的变化已做修正,如图10的超新星光变曲线所示)。图片来源:http://www.nobelprize.org.

而HZT组最先研究了他们自身观测到的16颗红移z在0.16~0.97之间的高红移Ia型超新星,同时还研究了34颗红移z小于0.15的近邻超新星(见图12)。他们发现,不论假设宇宙是平坦的或者是弯曲的,观测给出的暗能量组分始终大于零。对于一个平坦的宇宙,他们的观测结果同样得出重子与暗物质组分Ωm约为0.28,这样得到的宇宙年龄大约为142亿年。如果只假设Ωm≥0并采用保守的拟合方法,那么得到的宇宙膨胀减速因子同样小于零,也证明了宇宙在加速膨胀(见图13)!

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图12 HZT组的16颗高红移Ia型超新星观测结果,左图是用MLCS方法修正标准烛光后得到的哈勃图,右图是用Δm15(B)方法修正标准烛光后得到的哈勃图。两幅图中,上方的图均表示对于一组Ia型超新星样本,其距离模数与红移的关系。下方图表示观测数据与以前流行的Einstein-deSitter模型(Ωm=0.2、ΩΛ=0)的差别,后者由水平虚线表示。图片来源:A. G.Riess et al. The Astrophysical Journal. 1998, 116: 1009-1038.


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图13 以任意的Ωm作为横轴,以任意的ΩΛ作为纵轴,分别用不同的宇宙学模型拟合SCP组和HZT组的Ia型超新星观测数据,SCP组的模型拟合结果如左图所示,HZT组的结果如右图所示。两个小组的结果都表明,宇宙正处于加速膨胀的阶段。图片来源:http://www.nobelprize.org.


宇宙加速膨胀的推手——暗能量

根据SCP组与HZT组的观测结果,一方面证明了宇宙在加速膨胀,另一方面还强烈地表明存在着某种真空能量。宇宙如此浩渺,要把整个宇宙加速,需要的能量超乎想象。物理学家们不禁想到,爱因斯坦当初为了得到稳态宇宙所引入的宇宙学常数,似乎只是一个“美丽的错误”,而今正需要用它来解释宇宙加速膨胀的观测结果。

我们知道,由于万有引力的存在,任何物质之间都是相互吸引的。宇宙大爆炸模型和哈勃的观测结果告诉我们,宇宙处于不断膨胀的状态之中。按理说,宇宙中遍布着无数的恒星和星系,它们之间的万有引力将“拖累”宇宙的膨胀,使其缓慢下来。但观测结果却表明,宇宙在加速膨胀,这意味着需要一种弥漫于全宇宙空间的真空能量,它与万有引力的作用恰恰相反,表现为向外的万有斥力,就像宇宙演化过程中的外推手,源源不断地给宇宙膨胀注入动力,推动着宇宙加速膨胀。由于物理学家们对这种真空能量的本质并不了解,于是赋予它一个令人充满想象的名字——“暗能量”。

根据现有对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明,宇宙的组成大约68.3%左右是暗能量,此外还有26.8%左右是不发光的暗物质,而我们熟悉的普通物质仅占4.9%左右(见图14)。


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图14 现有观测表明,宇宙中大约68.3%左右是暗能量,此外还有26.8%左右是不发光的暗物质,而我们熟悉的普通物质仅占百分之五左右。图片来源:网络。

来自星星的礼物

宇宙加速膨胀的发现冲击了人们旧有的宇宙观,是人类认识宇宙及其演化的一次重大飞跃。正因为此,S.Perlmutter、B. Schmidt和A. Riess荣获2011年的诺贝尔物理学奖。这份来自遥远超新星的礼物,带来的除了无上的荣誉,更重要的是证实了暗能量的存在。而暗能量提出的意义不仅仅只是为了解释观测的结果,从根本上来说,它的本质仍是一个未解之谜。对这一问题的研究,很可能将成为未来基础物理学发展的突破口。

或许诚如艾萨克·牛顿所言,面对浩瀚的宇宙,我们仅仅是一个在海边嬉戏的顽童,为时不时发现一粒光滑的石子或一片可爱的贝壳而欢喜,可与此同时,对于面前伟大的真理海洋,我们却熟视无睹。

的确,宇宙加速膨胀的发现,只是向人类揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙,在探索宇宙奥秘的征途中,我们还有很长的路要走……

主要参考文献
[1] S. Perlmutter et al. Measurements of Ω and Λ from 42High-Redshift Supernovae. The AstrophysicalJournal. 1999, 517: 565–586.
[2] P. M.Garnavich et al. Constraints onCosmological Models from Hubble Space Telescope Observations of High-zSupernovae. The Astrophysical Journal.1998, 493: L53-L57.
[3]邓祖淦、邹振隆.高红移Ia型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀.物理.1999,28:464-470.
[4] SaulPerlmutter. Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe. Physics Today. 2003, April: 53-59.
[5] "TheAccelerating Universe - Press release". Scientific Background on the NobelPrize in Physics 2011. The Royal Swedish Academy of Sciences.
[6](美)温伯格(S.Weinberg)著,向守平译.宇宙学.合肥:中国科学技术大学出版社,2013.3:31-39.
[7]吴潮等.超新星宇宙学的观测与研究进展.天文学进展.2013,31(1):37-55.
[8] A. G.Riess et al. Observational Evidencefrom Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. The Astrophysical Journal. 1998, 116: 1009-1038.

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 楼主| 发表于 2017-7-17 10:56 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2017-7-21 19:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2017-7-22 13:15 编辑

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