他們的研究“幫助我們揭開了宇宙擴張的面紗”

2026-03-21 科學

他們的研究“幫助我們揭開了宇宙擴張的面紗”

超新星遺跡Cas A

他們的研究“幫助我們揭開了宇宙擴張的面紗”

波爾馬特獲獎后接受親友祝賀
北京時間10月4日下午5點45分，瑞典皇家科學院宣布了2011年諾貝爾物理學獎評選結果，3位美國科學家薩爾·波爾馬特、布萊恩·施密特（美國/澳大利亞）以及亞當·里斯因為對超新星與宇宙膨脹的研究而獲獎。
瑞典皇家科學院稱，他們的研究“幫助我們揭開了宇宙擴張的面紗” 。
尋找“燭光”之路磕磕絆絆
從愛因斯坦提出宇宙常數開始，宇宙膨脹問題就成了天文界、物理學界關注的熱點。根據廣義相對論，宇宙應該會減速膨脹。早期研究表明宇宙大致是均勻膨脹的，但計算無法說明膨脹的具體情況——是完全均勻膨脹，還是略加速或略減速？廣義相對論的推論無法得到證實。
要進一步分析宇宙膨脹進程，就要觀測更遙遠、更穩定的星體。超新星是一種上佳選擇。某些恒星在演化接近末期時經歷劇烈爆炸，爆發時間很短，但特別明亮，因此可以觀測到非常遠的超新星。Ia型超新星由于光度恒定，在天文學界被稱為“標準燭光”，用觀測到的亮度來確定它們的距離，就能了解宇宙的膨脹情況。
上世紀80年代中期，美國勞倫斯伯克利實驗室的一組物理學家對搜尋超新星產生了興趣。這一小組發展了一套在圖像中自動搜索超新星候選者的軟件，但他們迎來的是接連的失敗。后來，年輕后生薩爾·波爾馬特接掌了超新星項目，使情況有了轉機。
早期超新星研究的第一個難題，是獲得望遠鏡觀測時間。大型望遠鏡是稀缺資源，研究者很難“霸占”它以獲得足夠數據。波爾馬特想出了“批處理”的方法：每隔一個月就用觀測條件最好的無月夜拍攝大片星空，與以往的觀測進行比較，找出超新星候選者。
超新星的光變周期是幾個月，使得這一方法非常有效。波爾馬特領導的研究小組“超新星宇宙學計劃”開始發現大量超新星。
一看到成功的希望，各路天文學家都開始準備參加競爭。哈佛大學的High-z小組（布萊恩·施密特與當時還是研究生的亞當·里斯均在內）也瞄準了超新星。結果，波爾馬特小組花費幾年才研制出的自動化超新星搜尋軟件，施密特只用一個月就自制成功了。
超新星找到了，但Ia型超新星是否真是“標準燭光”呢？遺憾的是，并非完全如此。人們漸漸發現Ia型彼此并不完全相同，有些超新星光度的變化速度更快一些，有些則更慢。此外，對于實際觀測的超新星，還需要考慮好幾個問題：星際空間存在會吸收光子的塵埃，使超新星變暗，還會更多吸收藍光而導致目標變紅。而每顆超新星本身的顏色也不完全相同。哪怕本身光譜完全相同的超新星，當它位于不同紅移（處在引力場中的輻射源發射出的光，在觀測時譜線會向長波方向移動的現象）時，用給定波長的濾光片組進行觀測時，得到的顏色也不一樣。
這幾個效應雖然復雜，好在有規律可循。里斯發現，利用多個濾光片拍攝的光變曲線數據經過改正后，Ia型超新星還是可以作為近似的“標準燭光”的。
柳暗花明暗能量
兩組人馬都掌握了高效確定“標準燭光”亮度的辦法，令研究進展變得很快。到1997年下半年，他們分析了大量“燭光”后發現，高紅移的超新星比預期的要暗。根據現代宇宙理論最著名的天文學家哈勃提出的計算方法，這表明宇宙的膨脹在加速而不是減速！
一開始，他們懷疑這是觀測或數據處理上的錯誤，或者塵埃等因素的影響。經過反復檢查，1998年1月，他們幾乎同時公布了自己的觀測結果：宇宙的膨脹在加速。這一結論立即引發了廣泛關注。
按照廣義相對論理論，如果宇宙由一般的“物質”組成，其膨脹會逐漸減速，這是萬有引力的作用。那么如何解釋觀測到的宇宙膨脹加速呢？目前主流的解釋是引入“暗能量”的概念。暗能量是人們在建立宇宙膨脹模型中提出的假想：一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似于一種反引力，能很好地解釋已被哈勃望遠鏡證實的宇宙加速膨脹現狀。
與暗物質相比，暗能量不僅在分布范圍上廣得多，并且占據著宇宙組成的絕大部分。根據美國宇航局公布的數據，暗能量約占宇宙結構的70%，暗物質約占25%，剩下的約5%則是可見物質。
在廣義相對論方程中，暗能量的貢獻可以用宇宙常數來描述，雖然愛因斯坦本人最初并未預見到暗能量。剛開始，他認為宇宙應該是靜態的、穩定的，既不收縮也不膨脹，所以人為地加了一個宇宙常數來進行解釋。
哈勃發布觀測自己的結果后，愛因斯坦刪掉了這個常數，并將自己在宇宙常數上的往復視為“一生犯的最大錯誤” 。但恐怕他并沒有錯得很離譜：由于引力作用，刪掉宇宙常數后，解出的宇宙是減速膨脹的。為了描述加速膨脹的宇宙，還得把宇宙常數加回來，只不過是與靜態宇宙相反的方向。
【他們的研究“幫助我們揭開了宇宙擴張的面紗”】
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