■林鈺輝/文

“上下未形，何由考之”？從遠(yuǎn)古以來，宇宙的形成與演化一直都是人類的“天問”。我們從哪里來？我們是誰？未來將往何處去？人們探索宇宙的腳步從未停歇，從某種意義上來說，這其實(shí)也是探索人類自身的命運(yùn)。

在新千禧年即將到來的1998年，當(dāng)那首“來吧來吧相約九八”紅遍大江南北的時(shí)候，天文學(xué)家們也和偉大的造物來了次“甜蜜的相約”。然而，這次約會(huì)的結(jié)果卻讓人大吃一驚——來自美國和澳大利亞的兩個(gè)研究小組宣稱：在這場相約中，借助遙遠(yuǎn)的Ia型超新星，他們更清楚地看到了宇宙的真容，她非但不是在減速膨脹，反而是在加速膨脹！

一石激起千層浪，這一發(fā)現(xiàn)震驚了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界！宇宙萬物相互吸引，按理說宇宙的膨脹應(yīng)該是減慢的，難道除了無處不在的萬有引力，還存在著萬有斥力？如果答案是肯定的，那么這種無形的外推力究竟又是什么呢？為什么說這一出乎意料的結(jié)果是來自星星的禮物呢？

這一切，都要從那位如雷貫耳的哈勃說起。

星云世界的水手

時(shí)光回溯七十年，哈勃在研究河外星系的距離時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去，并且離得越遠(yuǎn)的星系，退行的速度反而越快，這就是著名的哈勃定律。它表明，我們所生活的宇宙就像一只正在充氣的大氣球，是在不斷膨脹的（見圖1）！那么，這一結(jié)論是依據(jù)什么得出來的呢？

 圖1 膨脹的宇宙猶如正在充氣的氣球，星系就像氣球上的斑點(diǎn)。隨著氣球的脹大，斑點(diǎn)的間距也不斷增大。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

假設(shè)有一支發(fā)光很穩(wěn)定的蠟燭，當(dāng)我們從不同的距離上觀察時(shí)，在離我們近一些的地方看起來會(huì)更亮，而在遠(yuǎn)處看上去則暗一些。如果我們知道蠟燭本身有多亮，根據(jù)看到的明暗程度，就可以計(jì)算出蠟燭與我們之間的距離。非常幸運(yùn)，宇宙中的某些天體就像這種“蠟燭”，它們的發(fā)光非常穩(wěn)定，根據(jù)上述原理，這類天體可以作為標(biāo)準(zhǔn)尺，用來測量遙遠(yuǎn)空間的距離，我們稱之為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（見圖2）。

另一方面，和聲波類似，由于多普勒效應(yīng)的存在，光的波長也會(huì)因?yàn)楣庠春陀^察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。當(dāng)光源遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，光的波長會(huì)被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。當(dāng)所觀測的天體遠(yuǎn)離我們時(shí)，它所發(fā)出的光會(huì)被拉長，從光譜上來看，跟靜止時(shí)相比，它的譜線會(huì)朝著紅端移動(dòng)，這就是所謂的“紅移現(xiàn)象”（見圖3）。通過測量譜線紅移的大小，可以推斷出天體遠(yuǎn)離我們的速度。

基于上述兩個(gè)原理，哈勃利用亮度周期變化的造父變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，測定了二十多個(gè)星系的距離，并研究了它們的紅移，計(jì)算出它們的退行速度。然后他將星系距離和退行速度對(duì)應(yīng)起來，繪制在了同一張圖上（見圖4）?？梢园l(fā)現(xiàn)，距離我們越遠(yuǎn)的星系，它的退行速度越快，二者幾乎成正比，這一比例系數(shù)被后人稱為“哈勃常數(shù)”。

哈勃的發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)界興奮不已，這一結(jié)果表明，廣義相對(duì)論的預(yù)言完全正確，宇宙不是靜止不變的，它在膨脹！愛因斯坦得知這一消息后，評(píng)價(jià)哈勃的工作“對(duì)宇宙的研究具有劃時(shí)代的意義”，并宣稱自己堅(jiān)持穩(wěn)態(tài)宇宙而引入的宇宙學(xué)常數(shù)是“一生中所犯的最大錯(cuò)誤”。由于哈勃在研究星系和宇宙方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，他也被尊稱為“星云世界的水手”。

雖然哈勃的發(fā)現(xiàn)開辟了人類認(rèn)識(shí)宇宙的新時(shí)代，但遺憾的是，當(dāng)時(shí)哈勃并不清楚造父變星實(shí)際上有好幾種，它們的亮度周期變化也不盡相同，于是得到的哈勃常數(shù)比今天所采用的值大了8倍，這樣導(dǎo)出的宇宙年齡只有20億年，甚至小于地球的年齡！受限于當(dāng)時(shí)的觀測水平，這一矛盾在很長時(shí)期內(nèi)都沒有得到解決，正因如此，哈勃的發(fā)現(xiàn)猶如曇花一現(xiàn)，宇宙學(xué)的研究進(jìn)展也幾乎停滯不前。

圖2 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燭光的明暗，我們可以確定遙遠(yuǎn)空間的距離。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

圖3 當(dāng)光源遠(yuǎn)離xs我們而去時(shí)，光的譜線發(fā)生了紅移。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

圖4 哈勃繪制的退行速度-星系距離關(guān)系。圖中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)河外星系，橫坐標(biāo)表示星系距離，縱坐標(biāo)表示退行速度?？梢园l(fā)現(xiàn)，距離越遠(yuǎn)，退行速度就越大。圖片來源：E. Hubble.PNAS. 1929, 15: 172.

高紅移Ia型超新星巡天

哈勃的失敗告訴我們，觀測宇宙膨脹最關(guān)鍵之處在于找到可靠的天體作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，Ia型超新星的橫空出世讓人們看到了新的曙光。

圖5 白矮星從其伴星吸積物質(zhì)，當(dāng)其自身質(zhì)量達(dá)到約1.4倍太陽質(zhì)量時(shí)，就會(huì)發(fā)生核爆炸，形成Ia型超新星。圖片來源：http://www..

天文學(xué)家觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙中的恒星常常會(huì)成雙成對(duì)地出現(xiàn)，它們猶如親密的伴侶在牽手共舞，一邊相互繞轉(zhuǎn)，一邊把物質(zhì)源源不斷地從那顆較暗的伴星傳輸給另一顆較亮的主星。如果這樣的雙星系統(tǒng)是由白矮星及其伴星構(gòu)成，當(dāng)白矮星吸積的物質(zhì)不斷累積，其自身質(zhì)量達(dá)到約1.4倍太陽質(zhì)量時(shí)，就會(huì)發(fā)生核爆炸，形成Ia型超新星（見圖5）。由于大多數(shù)白矮星發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)都比較接近這個(gè)質(zhì)量上限，而且光的輸出主要來自爆炸中產(chǎn)生的放射性鎳和鈷的衰減所發(fā)出的能量，因此有理由推測，超新星爆發(fā)時(shí)的亮度也應(yīng)該差不多。超新星極其明亮，最亮?xí)r相當(dāng)于數(shù)十億甚至上百億個(gè)太陽同時(shí)發(fā)光，因此我們能夠觀測到非常遙遠(yuǎn)的在宇宙學(xué)尺度上的這種超新星爆發(fā)。更為重要的是，它們發(fā)光的最大亮度幾乎是相同的。

由于超新星的上述特點(diǎn)，它們成為了一種有效的研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的距離指示器。從上世紀(jì)90年代以來，美國的超新星宇宙學(xué)計(jì)劃研究組和澳大利亞的高紅移超新星搜索團(tuán)研究組相繼成立。利用當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的設(shè)備，他們堅(jiān)持不懈地在連續(xù)幾年的時(shí)間里，對(duì)高紅移Ia型超新星進(jìn)行了觀測，系統(tǒng)地研究了宇宙膨脹現(xiàn)象。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的想法和工作方案接近相同，大體可簡要敘述如下：利用高紅移Ia型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，假定所有超新星的“絕對(duì)亮度”（即其本身的亮度）相等，那么，根據(jù)觀測到的一顆Ia型超新星的視亮度，就可以推測出它到我們的距離。另一方面，通過分析這些超新星的光譜，可以從中測出超新星的“紅移”。如果將測到的Ia型超新星的紅移和距離一一對(duì)應(yīng)起來，就可以畫出哈勃圖，從而獲知宇宙膨脹速率的變化。因此，研究計(jì)劃的核心就是搜尋高紅移的Ia型超新星?；趯?duì)近鄰的Ia型超新星亮度變化的研究成果，根據(jù)高紅移超新星爆發(fā)時(shí)觀測到的亮度變化特征就能準(zhǔn)確地推斷出他們的最大亮度。為此，如果希望這把量天尺更加精準(zhǔn)，就要盡可能在超新星爆發(fā)達(dá)到最大亮度前就發(fā)現(xiàn)它們。

實(shí)際觀測中，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)采用了“比較法”來搜尋超新星。他們首先將星空劃分成了許多不同的區(qū)域，然后從中選擇了50~100個(gè)天區(qū)，并且確保每個(gè)天區(qū)中都有近千個(gè)高紅移的星系。農(nóng)歷的每月月初，首先用CerroTololo的4米口徑望遠(yuǎn)鏡對(duì)所有這些天區(qū)進(jìn)行為期兩天的觀測。時(shí)隔三個(gè)星期后，再次觀測同樣的天區(qū)，并立即對(duì)比兩次拍攝的幾十萬個(gè)高紅移星系的巡天照片。如果發(fā)現(xiàn)巡天照片中任何一個(gè)星系的亮度有變化，說明該星系中很可能存在超新星爆發(fā)，就立即對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的觀測（見圖6）。同時(shí)，通過對(duì)其光譜的分析，確認(rèn)是否為Ia型超新星。一般情況下，Ia型超新星的亮度逐漸達(dá)到最大的過程要長于三個(gè)星期，在本次搜尋中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一二十顆還在變亮的Ia型超新星。一旦發(fā)現(xiàn)這樣的超新星，隨即使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（見圖7）以及CerroTololo、WIYN、IsaacNewton和ESO等天文臺(tái)的地面望遠(yuǎn)鏡在之后的幾個(gè)月時(shí)間中繼續(xù)監(jiān)測它們的亮度變化特征。對(duì)于紅移非常高的超新星，甚至還需要使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)其進(jìn)行兩個(gè)以上顏色的測光，并利用10米口徑的Keck望遠(yuǎn)鏡（見圖8）在其亮度最大時(shí)進(jìn)行光譜觀測。通過這些觀測，一方面從巡天得到的超新星候選者中可靠地選出了Ia型超新星，另一方面又提供了準(zhǔn)確測定這些Ia型超新星最大亮度的光變數(shù)據(jù)。

正如前面所提到的，為了繪制哈勃圖，除了超新星的亮度信息，還需要其紅移信息，因此還要利用Keck望遠(yuǎn)鏡或哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測定超新星所在星系的光譜，再從中分析得到超新星的紅移大小。因?yàn)槌滦潜l(fā)的亮度達(dá)到峰值后，會(huì)經(jīng)歷為期數(shù)月的衰減期，所以一年之后還必須對(duì)超新星所在的星系重新進(jìn)行測光，以準(zhǔn)確地扣除星系背景而得到超新星的精確亮度。這一系列觀測方案的流程如圖9所示。

圖6 超新星宇宙學(xué)計(jì)劃研究組組演示如何通過比較法找超新星：對(duì)比相隔三周拍攝的兩幅巡天照片，如果發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)星系的亮度有變化，就立即對(duì)其進(jìn)行后續(xù)觀測。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

圖7 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

圖8 Keck望遠(yuǎn)鏡。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

圖9 搜尋高紅移超新星的方案示意圖。圖片來源：PhysicsToday。

值得注意的是，由于高紅移超新星發(fā)出的光傳播到地球經(jīng)歷了很長時(shí)間，而在這期間宇宙一直在膨脹，因此我們接收到的光與高紅移超新星所發(fā)射出的光相比，波長已經(jīng)有了明顯的紅移。要利用測光和光變曲線準(zhǔn)確地測定超新星的最大亮度，一個(gè)重要的步驟就是必須對(duì)觀測到的超新星進(jìn)行紅移修正。利用已知相對(duì)距離和亮度的近鄰低紅移超新星光變曲線數(shù)據(jù)，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別發(fā)展出了不同的紅移修正方法。將修正后的高紅移超新星光變曲線與從近鄰低紅移

超新星所得曲線進(jìn)行比較，就可以準(zhǔn)確地定出Ia型超新星的最大亮度（見圖10）。觀測表明，修正后的Ia型超新星光變曲線與近鄰超新星的觀測結(jié)果符合得很好。這種經(jīng)紅移修正后的一致性，排除了紅移是由于光子疲勞等其它原因造成的，進(jìn)一步證實(shí)了它的宇宙學(xué)性質(zhì)，也就是說紅移的確是因?yàn)橛钪媾蛎浰鶎?dǎo)致的。

圖10 上圖：不同的低紅移超新星光變曲線，它們的相對(duì)距離和光度是確定的；下圖：超新星宇宙學(xué)計(jì)劃研究組使用拉伸因子方法修正后得到的Ia型超新星光變曲線。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

宇宙加速膨脹的觀測證據(jù)

按照前文所述的巡天方法，S.Perlmutter領(lǐng)導(dǎo)的超新星宇宙學(xué)計(jì)劃研究組（以下簡稱SCP組）和B. Schmidt領(lǐng)導(dǎo)的高紅移超新星搜索團(tuán)研究組（以下簡稱HZT組）展開了激烈的競爭。

根據(jù)廣義相對(duì)論，宇宙的組分由三部分構(gòu)成：輻射成分Ω_r、重子與暗物質(zhì)Ω_m和暗能量Ω_Λ。在宇宙學(xué)研究中，把這些組分的比例稱之為“宇宙學(xué)參數(shù)”。利用高紅移Ia型超新星的觀測結(jié)果，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)測量宇宙學(xué)參數(shù)的思路如下：（1）做了紅移修正的處理后，根據(jù)Ia型超新星的標(biāo)準(zhǔn)燭光特性，可以得到其視星等（與前文中提到的Ia型超新星與我們之間的距離是等價(jià)的）與紅移的關(guān)系，也就是哈勃圖；（2）通過參數(shù)擬合，確定重子與暗物質(zhì)Ω_m和暗能量Ω_Λ這兩個(gè)宇宙學(xué)參數(shù)，然后估算出宇宙膨脹減速因子q₀，如果q₀小于零說明宇宙在加速膨脹。

SCP組首先選取了自身觀測到的42顆紅移z在0.18~0.83之間的高紅移Ia型超新星，分析其視亮度與紅移的關(guān)系，同時(shí)他們還分析了Calan-Tololo超新星巡天的18顆紅移z小于0.1的低紅移Ia型超新星樣本（見圖11）。SCP組的觀測數(shù)據(jù)首先排除了暗能量組分Ω_Λ小于或者等于零的可能性。如果假設(shè)宇宙是平坦的，那么觀測數(shù)據(jù)給出重子物質(zhì)和暗物質(zhì)組分Ω_m所占比例約為0.28，導(dǎo)出的宇宙年齡約為134億年。同時(shí)，參數(shù)擬合的結(jié)果給出宇宙膨脹減速因子為-0.58，負(fù)號(hào)說明宇宙的膨脹不是在減速，而是在加速（見圖13）！

圖11 根據(jù)SCP組觀測的42顆高紅移Ia型超新星以及Calan-Tololo超新星巡天給出的18顆較低紅移Ia型超新星繪制的哈勃圖，橫軸為紅移z，縱軸為有效藍(lán)色視星等（絕對(duì)星等的變化已做修正，如圖10的超新星光變曲線所示）。圖片來源：http://www..

而HZT組最先研究了他們自身觀測到的16顆紅移z在0.16~0.97之間的高紅移Ia型超新星，同時(shí)還研究了34顆紅移z小于0.15的近鄰超新星（見圖12）。他們發(fā)現(xiàn)，不論假設(shè)宇宙是平坦的或者是彎曲的，觀測給出的暗能量組分始終大于零。對(duì)于一個(gè)平坦的宇宙，他們的觀測結(jié)果同樣得出重子與暗物質(zhì)組分Ω_m約為0.28，這樣得到的宇宙年齡大約為142億年。如果只假設(shè)Ω_m≥0并采用保守的擬合方法，那么得到的宇宙膨脹減速因子同樣小于零，也證明了宇宙在加速膨脹（見圖13）！

圖12 HZT組的16顆高紅移Ia型超新星觀測結(jié)果，左圖是用MLCS方法修正標(biāo)準(zhǔn)燭光后得到的哈勃圖，右圖是用Δm₁₅(B)方法修正標(biāo)準(zhǔn)燭光后得到的哈勃圖。兩幅圖中，上方的圖均表示對(duì)于一組Ia型超新星樣本，其距離模數(shù)與紅移的關(guān)系。下方圖表示觀測數(shù)據(jù)與以前流行的Einstein-deSitter模型（Ω_m=0.2、Ω_Λ=0）的差別，后者由水平虛線表示。圖片來源：A. G.Riess et al. The Astrophysical Journal. 1998, 116: 1009-1038.

圖13 以任意的Ω_m作為橫軸，以任意的Ω_Λ作為縱軸，分別用不同的宇宙學(xué)模型擬合SCP組和HZT組的Ia型超新星觀測數(shù)據(jù)，SCP組的模型擬合結(jié)果如左圖所示，HZT組的結(jié)果如右圖所示。兩個(gè)小組的結(jié)果都表明，宇宙正處于加速膨脹的階段。圖片來源：http://www..

宇宙加速膨脹的推手——暗能量

根據(jù)SCP組與HZT組的觀測結(jié)果，一方面證明了宇宙在加速膨脹，另一方面還強(qiáng)烈地表明存在著某種真空能量。宇宙如此浩渺，要把整個(gè)宇宙加速，需要的能量超乎想象。物理學(xué)家們不禁想到，愛因斯坦當(dāng)初為了得到穩(wěn)態(tài)宇宙所引入的宇宙學(xué)常數(shù)，似乎只是一個(gè)“美麗的錯(cuò)誤”，而今正需要用它來解釋宇宙加速膨脹的觀測結(jié)果。

我們知道，由于萬有引力的存在，任何物質(zhì)之間都是相互吸引的。宇宙大爆炸模型和哈勃的觀測結(jié)果告訴我們，宇宙處于不斷膨脹的狀態(tài)之中。按理說，宇宙中遍布著無數(shù)的恒星和星系，它們之間的萬有引力將“拖累”宇宙的膨脹，使其緩慢下來。但觀測結(jié)果卻表明，宇宙在加速膨脹，這意味著需要一種彌漫于全宇宙空間的真空能量，它與萬有引力的作用恰恰相反，表現(xiàn)為向外的萬有斥力，就像宇宙演化過程中的外推手，源源不斷地給宇宙膨脹注入動(dòng)力，推動(dòng)著宇宙加速膨脹。由于物理學(xué)家們對(duì)這種真空能量的本質(zhì)并不了解，于是賦予它一個(gè)令人充滿想象的名字——“暗能量”。

根據(jù)現(xiàn)有對(duì)宇宙微波背景輻射、超新星等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙的組成大約68.3%左右是暗能量，此外還有26.8%左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占4.9%左右（見圖14）。

圖14 現(xiàn)有觀測表明，宇宙中大約68.3%左右是暗能量，此外還有26.8%左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占百分之五左右。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)。

來自星星的禮物

宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)沖擊了人們舊有的宇宙觀，是人類認(rèn)識(shí)宇宙及其演化的一次重大飛躍。正因?yàn)榇耍琒.Perlmutter、B. Schmidt和A. Riess榮獲2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這份來自遙遠(yuǎn)超新星的禮物，帶來的除了無上的榮譽(yù)，更重要的是證實(shí)了暗能量的存在。而暗能量提出的意義不僅僅只是為了解釋觀測的結(jié)果，從根本上來說，它的本質(zhì)仍是一個(gè)未解之謎。對(duì)這一問題的研究，很可能將成為未來基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)展的突破口。

或許誠如艾薩克·牛頓所言，面對(duì)浩瀚的宇宙，我們僅僅是一個(gè)在海邊嬉戲的頑童，為時(shí)不時(shí)發(fā)現(xiàn)一粒光滑的石子或一片可愛的貝殼而歡喜，可與此同時(shí)，對(duì)于面前偉大的真理海洋，我們卻熟視無睹。

的確，宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，只是向人類揭露了一個(gè)95%的成分仍然未知的宇宙，在探索宇宙奧秘的征途中，我們還有很長的路要走……

主要參考文獻(xiàn)

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