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宇宙膨胀正在加速
http://www.100md.com 2011年11月15日 百科知识 2011年第22期
     宇宙在“大爆炸”中诞生,但会往何处去呢?获得2011年诺贝尔物理学奖的美、澳三位天体物理学家,通过对超新星的观测给出了答案:宇宙膨胀不断加速,而且逐渐变冷。这个发现,被瑞典皇家科学院称为“震动了宇宙学的基础”。为什么说此发现意义如此重大呢?我们还是先从人们对宇宙的认识说起。

    宇宙原来不是无限的,时空也不是永恒的

    20世纪20年代以前,如果有人提问:“我们的宇宙从何而来?又将走向何方?”科学家都无法回答。因为直到那时,科学家运用牛顿力学考察宇宙,得出的科学结论是:“我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的、无限的。我们的时空没有起点,也没有终了。”这就是距今不到百年前的科学宇宙观。

    1929年,美国天文学家哈勃(1889~1953)根据观测发现星系距离的远近和星系谱线红移的大小成正比,即星系距离越远,它们四向退行的速度越大。后人将观测到的这一天象称为“哈勃定律”。哈勃定律显示的就是宇宙的时空整体在四向膨胀。宇宙既然在膨胀,必然有膨胀的起点,所以,宇宙一定有诞生;既然有诞生,就一定有迄今为止的年龄,以及诞生之后,膨胀至今的大小领域,因此,宇宙不是无始无终的,不是无限的,而是有限的;既然有年龄,就必然有生老病死,所以宇宙就不是永恒的和宁静的,而是演化的和动态的。这一来,完全颠覆了传统的奉为经典的宇宙观。
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    宇宙膨胀的发现、取证和确认,被认为是20世纪最重要的、意义深远的天文进展和成就,它改变了世人和公众对宇宙面貌和本原的认知和理解。

    宇宙的膨胀起源于“大爆炸”

    自从得知“宇宙膨胀”这一新天象之后,有的公众就问,如果宇宙确实在膨胀,为何感知不到月球、火星、木星、太阳在远离地球而去,也没听说太阳系在膨胀,银河系在膨胀呢?如果再往下问就是:宇宙为什么会膨胀?膨胀之力来自何方?宇宙未来的命运会是什么?

    关于地球人为什么感觉不到“宇宙膨胀”的疑问,不难解答。宇宙膨胀的速率是多少呢?根据2011年最新修订的测定值是:每300万光年每秒 73.8 千米。就是说,在每300万光年辽阔的空间领域内,每秒的膨胀速率是 73.8千米。要知道地月距离才1光秒多,日地距离8光分多,太阳系“半径”(太阳~海王星的距离)约5光时。在这样小的空间范围,当然察觉不出“宇宙膨胀”。不仅如此,即便在太阳系到银河系的两个伴星系(大麦哲伦云和小麦哲伦云)的50~60万光年的空间领域,以及地球到距离最近的大旋涡星系——仙女星系的约220万光年的空间范围,由于膨胀速率小于星系自身的空间运动速度而不易察觉。只有当宇宙的空间尺度远大于几百万光年的前提下,宇宙的膨胀才显现,并成为宇宙大尺度结构的最主要特征。
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    宇宙一直膨胀下去吗?

    哈勃自从确认星系的普遍红移现象并建立了哈勃定律之后,随即和他的科研同仁持续地探究:在更深远的空间,哈勃定律是否继续有效?膨胀速率是恒定的吗?会不会减速?

    20世纪下半叶,随着更多的大型光学望远镜的兴建问世,科学家继续向更深远的天际进军,将探究的距离扩展到40~50亿光年的远处。结果发现,哈勃定律仍然有效,宇宙依旧稳步地四向膨胀。进入80年代,随着科技的进步,一批口径8~10级的巨型光学望远镜的陆续落成,观天、新型探测器件取代了经典的照相手段、以及计算机在天文观测和数据处理的广泛运用,宇宙的大尺度结构的探索已向50亿光年以远的更远处进发。

    选好“量天尺”

    不少公众都知道,“光年”是天文学中一种长度计量单位。在太阳系之外的星际空间,恒星之间的距离,通常以几十、几百、几千光年为计。在银河系之外的星系际空间的距离,近则几百万光年、上千万光年,远则几亿、几十亿光年。人们不禁要问,如此辽阔的距离究竟是如何测量的?
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    首先一定要搞明白“光度”和“亮度”这两个内涵不同的词。光度是发光体本身固有的发光本领。例如,一个100瓦的灯泡,它的光度就是100瓦。亮度则是观测者看上去的明亮程度,与发光体的距离有关。100瓦的灯泡,放在距离10米处,看上去很亮;若改放在距离100米处,看上去就暗多了。根据物理知识——亮度和距离的平方成反比,这样,距离远了10倍,亮度暗了100倍。距离100米处的100瓦灯泡,看上去亮度只有1瓦。这样,在知道这只灯泡的光度确系100瓦的前提下,再将它置于还能看得见的远处,只需测定它的亮度,就能依据“距离平方的反比”定则,准确推算出远处灯泡的距离。我们可以将已知光度的灯泡称为一个“标准烛光”。天文学家领悟到可以运用类似的“标准烛光”方法去测定天体之间的距离。然而,在茫茫宇宙中,能够成为“标准烛光”的天体是什么?

    探测深空的“量天尺”—— Ia 型超新星

    现代天体物理学已知,宇宙中发射最强光度的单个天体是超新星爆发;它的光强足以贯穿几十亿、上百亿的辽阔空间;此外,还知道超新星爆发是恒星演化终端走向消亡的一种表现形式。超新星爆发前的前身天体有两类,其一是由两个恒星组成的双星,由于彼此距离近,以至于呈现物质交流,遂称为“密近双星”。当双星中的一个已演化成白矮星,此时如果受到其伴星的物质以股流形式高速投入,这个白矮星则因结构失衡,突然整体爆发毁灭,成为光度超强的超新星。按照分类,它们称为 I 型。早在30年代,已确认一个稳定的白矮星的质量上限是 1.4个太阳质量(此项天体物理成就获得1983年诺贝尔物理学奖)。因此得知,I 型超新星的前身是个 1.4 个太阳质量的白矮星。根据天文学中的质量-光度关系,知道了质量,也就准确地知道了光度。到20世纪末,又进一步得知,I型超新星中有一个次型Ia型,其光度的均匀性更好。这样,天文学家终于获得了新的“标准光源” ——Ia 型超新星,一款适合测量深空距离的“量天尺”。
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    深空超新星巡天的重大发现——暗能量

    1994~1995年,2~3个国际科研小组,在天体物理学家珀尔马特、施密特和里斯(如图)等首席科学家的主持下,申请到 8~10米级巨型光学望远镜和哈勃空间望远镜的支持,遂启动各自的“深空超新星巡天”探测课题,目标之一即是借助 Ia 型超新星“量天尺”探究50~60亿光年以远、前人知之甚少的宇宙膨胀动向。

    超新星是恒星世界罕见的天象,一个正常星系,例如,银河系平均要上千年才有一次超新星爆发,而且还不一定是 I型。可是,如果探测和巡视的对象同时为10万个、百万个星系,那么正好捕捉到较为短暂的爆发进程就不再罕见。

    当最初观测到几个遥远的Ia型爆发事件后,他们惊奇地发现,已知光度的Ia型的亮度比在哈勃定律预期的距离处应有的亮度暗些,如果观测和数据处理均正确无误,合理的解释就该是它们的距离比预期的更远,退行的速度比预期更大。这一现象在50~60亿光年距离更远的大宇宙深空开始呈现,而且距离越远,亮度变暗的程度越大。历经几年的巡天搜索,累积到的深空Ia 型超新星爆发样本的总数已达几十个之多。在遥远的深空,宇宙膨胀正在加速的发现已是不容争辩的事实。这大大地超乎预期。不少人曾推测,宇宙物质具有的引力最终会超过宇宙膨胀之力,致使膨胀终止,转为宇宙收缩。因此,当21世纪之初,宇宙膨胀在加速的天文发现公之于世后,震惊了科技界,乃至全社会。人们惊奇地得知,在大宇宙中,除了有与宇宙物质同在的万有引力和来自于“大爆炸”的膨胀之力外,还有一种前所未知的斥力性质的神秘之力,在50~100亿光年的大宇宙中逐渐显示为最大的主力,姑且称之为“暗能量”。
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    更令人称奇的是,根据已取得宇宙膨胀加速的资料和数据推算得知:在宇宙中,对其本原和真相知之甚少的“暗能量”竟占宇宙物质总量的 73 %。也就是说,人们在此之前竟然对宇宙组成中的 3/4全然不知不晓。就此还可推测,如果在今后深入探究中,宇宙确实按现在已探测到的加速膨胀,再过上千亿年,那时,一切核聚变的产能活动全都将息止,物质密度小到接近“真空”,我们宇宙的命运将是“寂静”、“寒冷”和“无”。

    如今“暗能量”已成为物理学界的一个关注热点和议题,必然会推动和影响今后宇宙学,乃至物理学的发展和进步。可以认为,“宇宙膨胀的加速”和“暗能量”的发现是继“宇宙膨胀”和“膨胀的宇宙”确认之后,迄今又一可与之并论的最重大天文贡献。发现“宇宙膨胀正在加速”的三位首席天体物理学家共同被授予2011年诺贝尔物理学奖,以表彰“深空超新星巡天”科研课题取得的成就,当在意料 之中。

    【责任编辑】蒲晖, http://www.100md.com(李竞)