解讀諾貝爾物理獎：宇宙正加速膨脹(組圖)

2011-10-07 19:43

2011年諾貝爾物理學獎頒發給美國加州大學伯克利分校天體物理學家薩爾•波爾馬特、美國/澳大利亞布萊恩•施密特以及美國科學家亞當•里斯以表彰他們發現「通過超新星發現宇宙加速膨脹」，這有助於人類更多地瞭解宇宙擴張的秘密；1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，此後這一直是人們理解宇宙的基礎。按照廣義相對論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩定不變。但事實剛好相反：宇宙正在膨脹。

超新星（即大質量恆星）爆炸的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當一些恆星壽命結束時將會塌縮，然後發生爆炸，其亮度可達到十億甚至百億個太陽的亮度。(網路圖片）

1、宇宙膨脹來自「超新星」大爆炸

超新星（即大質量恆星）爆炸的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當一些恆星壽命結束時將會塌縮，然後發生爆炸，其亮度可達到十億甚至百億個太陽的亮度，巴德和茨維基也觀測到了一些超新星。

宇宙中其實有兩種不同的超新星：一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機理不同，現在一般認為是白矮星（質量比較低的恆星比如太陽在燃盡核燃料後就會變成白矮星）從其伴星中吸積（吸積是圍繞年輕恆星的星盤入面的碎片漸漸變大,最後形成行星的過程;即是天體通過引力「吸引」和「積累」周圍物質的過程。）物質，到一定程度後再發生核爆炸。但有趣的是，茨維基和巴德最早觀測到的超新星都是後面這種他們所未曾想到過的類型，他們把這種發生爆炸的白矮星稱為「Ia型超新星」。下面我們將解讀「超新星」。

在茫茫宇宙尋找超新星訣竅就在於：比較同樣的一小塊天空拍攝於不同時間的兩張照片。(網路圖片）

2、諾獎研究團隊如何發現宇宙中的「超新星」

儘管我們上面超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一點。如何尋找超新星？這意味著研究團隊必須徹查整個天空，來尋找遙遠的超新星。訣竅就在於，比較同樣的一小塊天空拍攝於不同時間的兩張照片。這一小塊天空的大小，就相當於你伸直手臂時看到的指甲蓋大小。第一張照片必須在新月之後拍攝，第二張照片則要在3個星期之後，搶在月光把星光淹沒之前拍攝。

接下來，兩張照片就可以拿來比對，希望能夠從中發現一個小小光點，即CCD圖像中的一個像素——這有可能就是遙遠星系中爆發了一顆超新星的標誌。只有距離超過可觀測宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星系自身運動而帶來的干擾。兩個研究小組總共觀測了約50顆遙遠的「Ia型超新星」，並於1998年得到了一致的結論：宇宙的膨脹速度不是恆定的，也不是越來越慢，而是不斷加快。

標準宇宙模型預言宇宙22%由暗物質組成，74%是暗能量，剩下的4%是在我們身邊可以看到的普通物質。在這個模型中，96%的宇宙是不可見的。(網路圖片）

3、宇宙膨脹：加速度來自一種未知的暗能量

是什麼在加速宇宙膨脹？這種神秘力量被稱為暗能量，它向物理學提出了一大挑戰，至今無人能夠破解這一謎題。科學家已經提出了若干想法。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊藏於空間結構中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的「暗能量」（dark energy）佔據了宇宙成分的絕大部分，含量超過70%。它的本質仍然是謎，或許是今天的物理學面臨的最大謎題。

宇宙的組成部分，除去上文所說的暗能量，還有像我們人類所在的這個星球這樣的常規物質之外，還有一個組成部分那就是暗物質。暗物質是我們大都未知的宇宙中另一個迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質也是不可見的。對於這兩樣東西，我們只知道它們發揮的作用—— 一個是推，另一個是拉。名字前面那個「暗」字，是它們唯一的共同點。

紅移現象指的是白矮星爆炸的光在遠離我們的時候，其光波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。（製圖/網易探索）

4、超新星爆炸時的「紅移」現象說明，星系正離我們遠去

紅移現象指的是白矮星爆炸的光在遠離我們的時候，其光波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。目前對紅移現象的公認解釋為：速度造成紅移。例如：當一列火車向我們奔馳而來時，它的汽笛聲尖銳刺耳，因為火車的高速運動使聲波波長被壓縮，能量密度增加。相反，當火車離開我們飛馳而去時，它的汽笛聲則低沉幽緩，簡稱多普勒效應。

光波的紅移現象指的是：物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在20實際20年代，世界上最大的天文望遠鏡投入使用之後，美國天文學家哈勃於1929年確認，遙遠的星系均遠離我們地球所在的銀河系而去。星系不光在離我們而去，彼此之間也在相互遠離，而且距離越遠，逃離的速度就越快——這被稱為哈勃定律（Hubble's law），這也說明宇宙正在膨脹。

5、用「標準燭光」計算恆星運動距離

今年的諾貝爾物理學獎獲得者當年認為，他們會測量到宇宙減速膨脹，測量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。他們採用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠的恆星定位，並測量它們如何運動；而實際上宇宙膨脹速度是加速的。

那些光亮變化穩定的恆星中有一個關聯：光變週期越長，亮度就越大。由於知道了視亮度和真實亮度，就可以計算恆星的距離，因此光變週期成為了計算變星距離的理想手段。也因此，一種被稱為「造父變星」的恆星，成為早期宇宙的「標準燭光」。所謂標準燭光，指的是人們可以用造父變星來測量視差法無法測量的特大距離。

星繫在早期曾被歸到星雲中，直到1924年，美國著名天文學家哈勃通過照相觀測發現仙女座大星雲（現應嚴格稱為"仙女座河外星系"）中的造父變星，從而推算出仙女座大星雲與我們的距離。這距離表明它是在銀河系之外，是類似銀河系一樣的恆星天體系統。(網路圖片）

「造父變星」是亮度有顯著變化的恆星的統稱

在解釋造父變星之前，先來看看什麼是變星(variable star)，狹義上指的是「亮度有顯著起伏變化」的恆星。宇宙中，一些恆星在光學波段的物理條件和光學波段以外的電磁輻射有變化，天文學家將其稱為變星，如光譜變星、磁變星、紅外變星、X射線新星等。星空中那些亮度隨時間而改變的恆星被稱為變星。變星分很多種，光學變星和物理變星。光學變星因為雙星互繞，當其中一個遮蔽到另外一個時，造成觀測上的視覺差異，使得觀測者認為恆星亮度改變。物理變星是因為恆星本身內源或者大氣狀態不穩定，造成亮度改變。它分為脈動變星和爆炸性變星。

荷蘭人古德里克在研究仙王座恆星時，發現其中的一顆名為「仙王座δ」的亮度會有規律地起伏變化，在中國古代將「仙王座δ」稱作「造父一」，因此這顆有規律變換光亮的恆星就被稱為「造父一」。而古德里克觀察到「造父一」的光度週期（即從最暗變到最亮又回到最暗所需要的時間）是5天9小時，這是一種脈動型變星。此後人們發現了更多這樣的變星，於是就將其中最重要的一類命名為「造父變星」，以最著名的變星成員「造父一」而得名。（本文部分內容摘編自果殼網、2011諾貝爾物理學獎新聞稿）

宇宙的加速膨脹是一個驚人的重大發現，因此其發現者獲得諾貝爾獎也是意料之中的。但是，暗能量的本質仍是一個還未解決的問題。對這一問題的研究，也很可能是未來基礎物理學發展的突破口。所以2011年諾貝爾物理學獎的發現，也只是向科學界揭露了一個95%的成分仍然未知的宇宙。