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1、发表于 2011-10-06写在恒星之中“有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰”宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理 学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为超新星(supernova)的爆 炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好 比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消 失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当 中。1Ng 1叩W3WETM-rmntnM 百分比irwtasM伽匕呻阳一-1
2、 ttMA卜 丁邓血1凹m 1ar 勒底 L1“ n-jncr ak届舸1 fl DWIOfl140G年前 arijgaStLltiM50IZ年抽典込咖超斷星世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨 胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的， 这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变 得越来越显著。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正 在分崩离析。这种所谓的暗能量”(dark energy)占据了宇宙成分的绝大部分，含量超 过70%。它的本质仍然是
3、谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪，当两个不 同的研究团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。索尔佩尔穆特(Saul Perlmutter)领导着其中一个团队，即1988年启动的超新星 宇宙学项目(Supernova Cosmology Project)。布莱恩施密特(Brian Schmidt) 领导着另一个团队，即1994年启动的高红移超新星研究组”(High-z Supe rn ova Sea rch Team )展开竞争，亚当里斯(Adam Riess)在其中起到了至关重要的作用。两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙地图的竞赛。通过 确
4、定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实一一宇宙膨胀正在加速。闪一闪亮晶晶，天上星星在哪里宇宙在膨胀天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点，这已经不是第一次了。就在100年前，人们还认为 宇宙是一个宁静的所在，比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作 响，记录着时间的平稳流逝，而宇宙本身则是永恒的，无始无终。但没过多久，一种颠覆 性的红移就改变了人们的这种观点。在20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔斯万勒维特(Henrietta S
5、wan Leavitt)发现了 一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家没有接触大型望远镜的资格，但她们 被天文台雇佣，来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔勒维特研究了上千颗被称为造 父变星(Cepheid)的脉动变星，发现越明亮的造父变星，脉动的周期也越长。利用这样 的信息，勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。只要有一颗造父变星的距离是已知的，其他造父变星的距离就可以推算出 一一恒星的光 显得越暗，它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了，直到今天，它们仍是宇 宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星，天文学家很快就得出结论一一银河系只 是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了
6、20世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上 当时世界上最大的望远镜投入了使用，这让天文学家能够证明，几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做红移(redshift)的现象，当光源远离我们而去时就会出 现。光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。天文学家得出的结论是，星系不 光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越,这被称 为哈勃定律(Hubbles law)。宇宙正在膨胀。具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。宇宙学常数的归去来兮观测到的宇宙膨胀，在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年，爱因斯坦发表了他的 广义相对论，此后这一直是
7、我们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨 胀，不可能稳定不变。这个令人不安的结论，提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因斯 坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此，为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀， 爱因斯坦在他的方程里加了一个常数，他称之为宇宙学常数(cosmologicalcon sta nt)。后来，爱因斯坦认为，加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而，有了那些 完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测，我们可以得出这样 的结论一一爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶，虽然他当年的理由是错的。发现宇宙膨胀，让我们迈出了
8、奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，即 宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起，宇 宙就一直在膨胀；星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，由于宇宙学膨胀而 彼此远离。但未来的命运又将如何？超新星一一宇宙新标尺当爱因斯坦放弃宇宙学常数，转而向非静态宇宙观点投诚时，他把宇宙的几何形状同宇宙 的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的，还是介于两者之间一一是平坦的呢？开放的宇宙，指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话，所有物质都会在一个越来 越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反，引力强大 的足以停止甚至逆
9、转宇宙的膨胀。这样的话，宇宙最终会停止膨胀，然后坍缩回来，在一 场炽热而剧烈的大挤压(Big Crunch)中终结。然而，大多数宇宙学家都更喜欢生活在一 个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中一一这就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨胀会越来越 慢。因此，宇宙最终不是会终结于烈火，就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。 如果存在宇宙学常数，那么膨胀就将持续加速，哪怕宇宙是平坦的。今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的 速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一 样的一一那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。然而，说起来
10、容易做起来难。 自汉丽埃塔勒维特发现造父变星的秘密以来，天文学家在越来越远的距离上找到了许多其 他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上，即数十亿光年以外，造父变星已经无法 看见。宇宙标尺必须延长才行。超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜，以 及越来越强大的计算机，在20世纪90年代开启了全新的可能性，让天文学家有能力为宇 宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步，则是光敏数码成像传感器CCD的 发明发明者威廉波义耳(Willard Boyle)和乔治史密斯(George Smith)因为这 项发明获得了 2009年诺贝尔物理学奖。白矮星爆炸天文
11、学家工具箱中的最新工具，是一类特殊的恒星爆炸一一Ia型超新星。在短短几星期之 内，单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星(whitedwarf）爆炸的结果这种超致密老年恒星像太阳一样重，却只有地球这么大。这种爆炸 是白矮星生命循环中的最后一步。白矮星是一颗恒星核心处无法提供更多能量时形成的，因为所有的氢和氦都已经在核反应 中耗尽了，只剩下了碳和氧。通过同样的方式，在久远的未来，我们的太阳也会变成一颗 白矮星，最终变得越来越暗，越来越冷。如果一颗白矮星处在一个双星系统之中（这是相当常见的），那么就会有更令人激动的结 局在等待着它。在这种情况下，白矮星强大的引力会从它
12、的伴星身上抢夺气体。然而，一 旦白矮星超过倍太阳质量，它就再也无法维持下去了。此时，白矮星内部会变得足够炽热, 启动一场失控的核聚变反应，整个恒星会在几秒钟内被炸得粉身碎骨。白矮星会通过引力，从它的伴星身上窃取气体当白矮星超过倍太阳质量，它就会爆炸，变成一颗la型超新星。这些核聚变产物会释放出强烈的辐射，在爆炸之后的最初几星期内迅速增亮，直到随后的 几个月内才逐渐变暗。因此，发现这些超新星必须要快，因为它们剧烈的爆发相当短暂。 在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大。 一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。2011年9月，我们很幸 运
13、地在北斗七星附近的一个星系中观测到了这样一颗超新星爆发，通过一副普通的双筒望 远镜就能够看到。但大多数超新星离我们要遥远得多，因而也暗淡得多。那么，面对这么 大一片天空，我们究竟应该在什么时间往哪里看呢？令人震惊的结论两个相互竞争的研究团队都知道，他们必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就 在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小，就相当 于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3 个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能 够从中发现一个小小光点，即CCD图像中的一个像素一一这有可能
14、就是遥远星系中爆发了 一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的，这样做是为 了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。研究人员还有许多其他难题需要应对。Ia型超新星似乎并不像人们一开始认为的那样可靠 最明亮的超新星爆发亮度衰减的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度还必须扣除它 们所在星系的背景亮度。另一个重要任务是获得修正亮度。我们和那些恒星之间的星系际 尘埃会改变星光。在计算超新星最大亮度时，这些因素对结果都会有影响。追踪超新星挑战的不只是科学和技术的极限，更是统筹安排的极限。首先，正确类型的超 新星必须要被找到。其次，它的红移和亮度必须要被测量出来。亮度随时间变化的光
15、变曲 线必须接受分析，以便能够将它与其他类型相同、距离已知的超新星作比较。这就要求科 学家构成的工作网络能够迅速判断某一颗恒星是否值得列入候选进行观测。他们必须能够 在不同的望远镜之间切换，毫无延迟地获得一台望远镜的观测时间，而申请观测时间的过 程通常需要花上几个月时间。他们还必须迅速行动，因为超新星很快就会变暗。有时候，Feigure 丄 ptriiQVa 1Twoimagi&g ai the 与日me 寿maLLpiece of rhe skj- tohrni llirec wrk-i aparl fttrr tamparc d Then, on th second iinafe.助刍ma 11 d?tstatus a阳呼駁虽 色驻吕创白*电H計悒r* furlh&r otisPFVJl ion& of ig light curva ft ype la EupGrnorvj 匚i?mil much light n an c htrrerTht bghlcuJYc 帝 thr 3心m甘他all type- la 5U pernevafl. Mosl Lig9t is srnrhrd during 匸he first fewIee 色 iTiagram io I he rightl超新星1995ar。间隔3个星期拍摄的同一小块天区
