旅行到时空边缘：揭开无形的巨手

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第21章看不见的大手它推动星系越来越快地远离究竟如何膨胀？1998年初的一次天文会议上，珀尔马特初步公布了研究成果，施密特团队看到了几乎一模一样的数据结论。唯一能够解释的，是假设宇宙中存在一种全新的能量，这种能量表现出奇异的排斥特性，就像一双看不见的大手，推动星系加速远离，导致膨胀加速。这双看不见的大手，神秘的未知力量，天文学家们称为暗能量。

第21章　看不见的大手

它推动星系越来越快地远离

究竟如何膨胀？

1998年，人类对宇宙膨胀有了全新的认识。

我们知道，哈勃当年发现的定律是：星系的远离速度与距离成正比。

这意味着宇宙膨胀是匀速的，这当然只是近距离内的近似，因为物质的存在使宇宙膨胀减速，宇宙在早期应该比现在膨胀得更快一些。天文学家们想知道宇宙膨胀究竟是怎样减速的，这就要进行更深远的测量。

从本质上说，天文学家们这次的工作和哈勃以及桑德奇等人的并无二致，无非是测量以下两个量：

星系的红移；

星系的距离。

红移就是星系的退行速度，是容易测量的，拍摄光谱就可以。如何把距离测量可靠地推进到几十亿光年的远方呢？天文学家们需要一把威力更大的量天尺，这次是Ia型超新星。

Ia型超新星—威力更大的新量天尺

Ia型超新星是白矮星接近质量极限导致的超新星爆发。每一个爆发的Ia型超新星都具有大致相同的质量—约1.4倍太阳质量，所以它们具有大致相同的亮度—约45亿个太阳！这样，如果观测到的Ia型超新星看起来非常暗，就意味着它必定非常遥远，根据它的视亮度就可以确定距离了。

所以，天文学家们的工作是：

找到Ia型超新星，拍摄它的光谱，确定红移，也就是远离速度；

根据Ia型超新星的视亮度确定距离，因为它本身的亮度是固定的。

把不同超新星的红移和距离一一对应起来，可以画出新的哈勃图，就能够确定几十亿年前，宇宙膨胀是如何随着时间变化的。

关键是，Ia型超新星爆发是极为罕见的宇宙事件，像银河系这样拥有几千亿颗恒星的巨大星系，1000年也爆发不了几颗Ia型超新星，而且超新星爆发持续时间相当短暂，捕捉到它们的机会小得可怜。

好在宇宙很大，如果望远镜能够望向数十亿光年深处，全天就会有数以百亿的星系，这样，平均每分钟都会爆发好几颗Ia型超新星。

尽管如此，要发现这些超新星绝非易事。虽然Ia型超新星极其明亮，但在几十亿光年的距离上，也只是非常微弱的一个小点。天文学家在不同时间拍摄同一天区，根据微弱的亮度差异显示的蛛丝马迹，来寻找其中的变星，再从中发现可能的目标。

两个竞争的巡天小组

1980年代中期，劳伦斯伯克利实验室的一组物理学家首先启动了“超新星宇宙学计划”，开始了Ia型超新星的搜寻。然而到1988年，他们连一颗超新星都没能发现，局面非常困难。颇具慧眼的伯克利以及其他资助机构认真评估后，仍然认为这个项目有很大价值，决定继续予以资助，项目组也改由索尔·珀尔马特领导。

搜寻Ia型超新星并拍摄到其光谱，除了技术上的困难，还有获得望远镜观测时间的困难。天文学家要使用某台望远镜，需要向天文台提交申请，经过评议后，由一个委员会来分配观测时间。大型望远镜的使用，提前几个月就已排定，而发现超新星是不可能提前预知的，发现以后只好临时借用别人的观测时间进行后续观测，这就很难保证。珀尔马特发明了一套“批处理”方法：他们每隔一个月，用观测条件最好的无月夜拍摄大片星空，第二天，他们就可以通过比对过去的资料获得一批超新星候选者样本。这些样本观测价值极大，凭借它们可以快速申请到大望远镜的观测时间，“超新星宇宙学计划”项目组开始发现大量的超新星。

随着珀尔马特项目组接近成功，其他天文学家也迅速加入竞争。1994年，27岁的布莱恩·施密特在哈佛大学完成了超新星的博士论文，然后来到澳大利亚，在位于堪培拉郊区的斯特朗洛山天文台领导起一个年轻的团队—高红移超新星搜索项目组。

这个团队汇聚了来自4大洲的20名研究精英，其中25岁的亚当·里斯发明了一套数学方法，很好改正了星际尘埃对超新星光芒的吸收效应，使Ia型超新星作为标准烛光的可靠性大为增加，也极大提升了搜寻效率。

膨胀竟然在加速！

经过3年多的努力，施密特小组获得了16颗超新星数据，把它们的距离和反映宇宙膨胀的红移值画在一张图上时，一个极为戏剧化的图景显现出来。研究者们原本期望看到的是，宇宙膨胀在以多快的速率降低。然而，图像却让他们无比惊讶—宇宙在加速膨胀！这就像朝着空中投了一个球，它没有落回地面，而是眼睁睁地飞向蓝天，飞出了天外！施密特和亚当·里斯忐忑不安地认为自己是不是搞错了。

1998年初的一次天文会议上，珀尔马特初步公布了研究成果，施密特团队看到了几乎一模一样的数据结论。于是在1998年1月，两个小组几乎同时正式公布了自己的观测结果，一共58颗超新星数据，清晰显示出一个全新的宇宙图景，相比几十亿年前的过去，宇宙列车正驶上快车道，加速膨胀开去。

2011年，因为“透过观测遥远超新星而发现宇宙加速膨胀”，索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯获得了当年的诺贝尔物理学奖。

未知的神秘力量

宇宙为什么会加速膨胀呢？这是非常奇怪的，因为以前人们只知道物质引力会使它减速。唯一能够解释的，是假设宇宙中存在一种全新的能量，这种能量表现出奇异的排斥特性，就像一双看不见的大手，推动星系加速远离，导致膨胀加速。

这双看不见的大手，神秘的未知力量，天文学家们称为暗能量。暗能量非常巨大，是暗物质的量的三倍之多。

暗能量的特点是，密度非常小，均匀地分布在宇宙中，占满了所有的空间。更奇特的是，暗能量似乎是空间的一种属性，它的密度不随空间的膨胀而减小，能够一直保持着恒定的密度。

这样，在宇宙的最初，暗能量几乎可以忽略不计；而在早期的几十亿年里，暗能量随着宇宙的膨胀而成长，但仍比不过宇宙的物质，引力仍然占上风，膨胀确实一直在减速。但在五六十亿年前，随着宇宙膨胀，物质被稀释，引力作用越来越弱，暗能量则随着空间体积的膨胀越来越强，逐渐占了上风，最终战胜引力，推动宇宙开始加速膨胀。

暗能量究竟是什么，尚无人知晓，但爱因斯坦早在100年前就曾经预言了它的存在—他当年在宇宙学方程里添加的常数项就具有暗能量的特征。1916年爱因斯坦用广义相对论研究宇宙时发现，物质的存在会使宇宙坍缩，宇宙必须膨胀才能不至坍缩下来。

为了让宇宙稳定下来，烦恼不已的爱因斯坦在方程里添加了一个常数项，它起的正是一种斥力的作用，和引力的作用相抗衡，勉强使宇宙平静下来，爱因斯坦稍感安慰。

但随着1929年哈勃定律的发表，爱因斯坦意识到宇宙膨胀不可避免，于是宣称宇宙常数是他一生最大的错误。然而，1998年宇宙加速膨胀的发现表明，这个常数项也许根本就不是什么错误，很可能是爱因斯坦的又一个英明创举。

宇宙的前途

如果宇宙加速膨胀一直持续下去，会发生什么呢？可能的一幅图景是，宇宙会越来越空旷，物质越来越稀薄，最后陷入永恒的死寂。

宇宙的未来究竟会怎样，有着太多的不确定，目前人类对暗物质、暗能量这些宇宙中最大的组分还几乎一无所知，也就谈不上准确预言未来了。宇宙的未来可能加速膨胀，也可能再次转入减速，也可能变为收缩并转而坍缩下去，或者坍缩后再次大爆炸，一切都还在未之中。

宇宙的年龄

宇宙加速膨胀，使宇宙的年龄又多了一项影响因素。综合起来，宇宙的年龄取决于以下三个因素：

一、哈勃常数，由它得到零引力匀速膨胀的宇宙年龄，称为哈勃年龄。

二、物质和暗物质的存在给宇宙减速，宇宙过去膨胀得比现在快，它膨胀到现在尺度用的时间短，结果导致宇宙真实年龄比哈勃年龄要小。

三、暗能量的存在给宇宙起加速作用，宇宙过去膨胀得比现在慢，它膨胀到现在尺度用的时间长，结果导致宇宙真实年龄比哈勃年龄要大。

天文学家们公布的宇宙年龄，就是由这三项因素综合而来。有趣的是，结合了暗物质和暗能量后的宇宙年龄，竟然很接近均匀膨胀的哈勃年龄，不知其中有何奥妙。