谁是宇宙加速膨胀的幕后黑手?

2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将本年度的诺贝尔物理学奖授予“通过观测遥远的超新星而发现宇宙加速膨胀现象”的美国天体物理学家索尔·帕尔马特、布莱恩·P·施密特(也拥有澳大利亚国籍)和亚当·里斯。其中帕尔马特获得奖金的二分之一,而施密特与里斯分享奖金的另一半。三位获奖者于1998年做出的重大发现揭开了宇宙“暗能量”的神秘面纱。特别值得一提的是,他们都曾在哈佛大学求学,因此他们的获奖再次证明了什么是真正的世界一流大学。
三位共获诺奖
英雄也问出身
索尔·帕尔马特(Saul Perlmutter),美国公民,天体物理学教授。1959年出生于美国伊利诺伊州厄本那—香槟城,1981年毕业于哈佛大学,1986年获得加州大学伯克利分校博士学位,现任职于劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校,超新星宇宙学项目负责人。1998年,帕尔马特及其团队通过观测Ιa型超新星得出了宇宙加速膨胀的惊人结论,使宇宙“暗能量”问题成为本世纪最前沿的科学问题之一。
布莱恩·P·施密特(Brian P. Schmidt),美国与澳大利亚公民,天体物理学教授。1967年出生于美国蒙大拿州密苏拉市,1989年毕业于亚利桑那大学,1993年获得哈佛大学博士学位,现任职于澳大利亚国立大学斯特朗洛山天文台,高红移超新星搜寻项目负责人。1998年,施密特的研究团队发现了宇宙加速膨胀的有力证据,他们与帕尔马特研究组的成果被《科学》杂志评选为当年最具突破性的科学发现。
亚当·里斯(Adam Riess),美国公民,天体物理学教授。1969年出生于美国首都华盛顿,1992年毕业于麻省理工学院,1996年获得哈佛大学博士学位,现任职于约翰·霍普金斯大学和巴尔的摩太空望远镜科学研究所,高红移超新星搜寻项目负责人。1998年,里斯与施密特领导的课题组通过观测Ia型超新星发现了宇宙加速膨胀的惊人事实。2006年与帕尔马特和施密特分享了具有“东方诺贝尔奖”美誉的香港邵逸夫天文学奖。
本文将简要介绍三位诺贝尔奖得主发现宇宙加速膨胀的历史背景、科学意义及其对现代宇宙学的深远影响。
宇宙一直在膨胀
哈勃1929年,美国天文学家爱德文·哈勃观测到了一个奇特的现象:不同的星系都在彼此远离对方,其运动速度正比于它们之间的距离。具体说来,所有的河外星系都与我们所处的银河系渐行渐远,而且它们倒退的速度越来越大。这表明宇宙一直在膨胀。根据大爆炸宇宙学理论,宇宙的演化行为遵从爱因斯坦的广义相对论。如果宇宙空间中的物质和辐射呈均匀和各向同性分布,那么广义相对论方程就可以简化为弗里德曼方程:它的左边是哈勃参数的平方,右边包含空间曲率、物质密度、辐射密度和宇宙学常数的贡献。宇宙学和天文学观测表明,我们的宇宙是非常平坦的,即它的空间曲率在大尺度上等于零。另外,当今宇宙的辐射密度远小于物质密度,通常是可以忽略不计的。因此通过定义宇宙的临界能量密度(它是哈勃参数和牛顿引力常数的函数),我们可以将平坦宇宙的弗里德曼方程进一步化简为Ωm+ΩΛ=1 ,其中Ωm代表宇宙的物质密度,ΩΛ代表宇宙学常数对宇宙能量密度的贡献。倘若宇宙学常数Λ为零,就只有物质决定宇宙演化的命运。那么根据牛顿定律,不同星系之间的万有引力应该使宇宙的膨胀逐渐减慢。事实果真如此吗?
描述宇宙减速膨胀的参数可以定义为q(z)=Ωm(1+z)3/2-ΩΛ,其中z代表红移,它的值在今天取作零;Ωm和ΩΛ分别代表宇宙今天的物质密度和宇宙学常数对总能量密度的贡献。假如宇宙的膨胀速度越来越小,那么这个减速膨胀参数就应该大于零。于是设法测量q(0)的大小就成了宇宙学家的一个重要科学目标。
今天的宇宙在加速膨胀
上世纪八十年代末期,当刚获得加州大学伯克利分校博士学位不久的帕尔马特加入旨在发现“宇宙的命运”的超新星课题组时,他和同事们的物理目标就是想通过研究遥远的Ia型超新星光谱来证实宇宙减速膨胀的猜想。Ia型超新星的爆发能够释放出极高亮度和较为持久的光,通常被当作研究其它星体发光度的“标准烛光”。由于宇宙在不断地膨胀,这些来自逐渐远去的超新星的光会朝着可见光的光谱中红色的一端偏移。这种红移现象类似于当火车离我们而去时其汽笛声变得越来越低沉的“多普勒效应”。通过观测不同Ia型超新星的亮度和光谱,天文学家可以推算出它们的距离和红移,从而画出哈勃图。由于距离本身依赖于宇宙能量密度的各个分量,由此能够确定一个平坦而且低辐射的宇宙中Ωm与ΩΛ的数值。
十年数据帕尔马特在九十年代初成为超新星宇宙学项目的负责人,他发展了一套行之有效的软件和数值分析程序,用以研究有较大红移效应的Ia型超新星。该技术能够迅速处理天文望远镜传回的观测数据,并选出希望较大的超新星候选者再将信息迅速反馈给望远镜系统,以便进一步测量超新星的亮度和光谱,从而确定高红移超新星的距离和红移。当时施密特和里斯领导的高红移超新星搜寻课题组也在做同样的事情。1998年2月在“暗物质1998”国际会议上,这两个研究超新星的团队分别报告了他们的观测结果。在红移接近 z~1处,帕尔马特等人发现了42个超新星,而施密特等人观察到16个超新星。他们得出的一致结论是今天的宇宙Ωm≈0.3和ΩΛ≈0.7。同年3月和9月,施密特与帕尔马特的研究组分别将他们的观测结果正式提交到专业期刊发表。把Ωm和ΩΛ的数值结果代入今天的宇宙减速膨胀参数q(0)=Ωm/2-ΩΛ,人们立刻发现q(0)<0 。这意味着宇宙其实正在加速膨胀!帕尔马特、施密特和里斯等人如此重大的的发现立即震惊了全世界,成为宇宙学新的里程碑。 
进一步的研究表明:约50亿年前(z≥0.5)宇宙处在减速膨胀状态,而近50亿年来(z≤0.5 )宇宙一直在加速膨胀。这一点也可以从前面给出的q(z)的表达式近似估算出来。宇宙学常数Λ大于零而且ΩΛ>Ωm,前者正是宇宙加速膨胀的幕后黑手。决定宇宙最终命运的“暗能量”的神秘面纱终于被缓缓揭开了。
暗能量与暗物质
1998年至今,更精确的Ia型超新星观测结果证实了帕尔马特等人的发现,而来自宇宙微波背景各向异性和宇宙大尺度结构的观测结果也令人信服地证实了ΩΛ≈0.7和Ωm≈0.3的事实。这表明宇宙空间中不仅充斥着神秘的“暗能量”,而且聚集了大量不发光的“暗物质”。暗能量与暗物质的本质究竟是什么呢?
爱因斯坦
从弗里德曼方程可以看出,宇宙学常数Λ是暗能量ΩΛ的最直接来源。其实Λ是由爱因斯坦本人为了得到一个所谓的“静态宇宙”而引入他的广义相对论方程的。当爱因斯坦听说了哈勃的历史性发现,他为自己没有及早从理论上预言宇宙的膨胀而懊恼不已,声称引入宇宙学常数是他人生的最大败笔。如今我们注意到,代表真空能量的宇宙学常数Λ的存在是至关重要的,它决定了宇宙从今往后一直加速膨胀下去的奇特命运。然而在粒子物理学家眼里,看起来自然而然的真空能量密度应该远大于Λ所对应的能量密度,前者可以是后者的10120倍!如何解释有限的Λ成为理论物理学家们不得不面对的难题。或许Λ本身并非一个真正的常数,而是随着时间和红移而改变的物理量。这类有关暗能量的动力学模型,需要引入新的场与新的力。甚至“人择原理”也被一些物理学家用来理解暗能量之谜。
伴随着暗能量问题的是暗物质问题。宇宙学和天文学观测表明,发光的重子物质只占宇宙物质密度(Ωm≈0.3)的20%左右,暗能量其余的80%左右是电中性、不发光而且寿命极长的冷暗物质,它们决定了宇宙大尺度结构的形成和星系的运动状态。在标准的粒子物理学理论中,不存在任何可以充当冷暗物质的基本粒子,因此解释暗物质的存在需要引入新物理。如何在实验上通过非引力手段来探测暗物质也是一个世纪难题。尽管目前有众多的实验项目力图直接或者间接地探测暗物质粒子,但是迄今为止没有得到任何令人信服的结果。有人将暗能量和暗物质问题比喻成飘浮在二十一世纪物理学天空中的两朵乌云,这话也许是不错的。
事实上我们不得不面对更多的宇宙学和天文学难题,例如可观测宇宙的物质与反物质不对称问题、极高能宇宙射线的起源问题、引力波是否存在的问题,等等。宇宙加速膨胀的发现告诉我们,在探索未知的旅途中也许会有很多我们意想不到的新发现。正如帕尔马特所说的那样,“现在我们距离找到宇宙全貌的那幅图景越来越近了。暗能量是一片黑暗中一个闪亮的光点,为那些我们之前从来没有想过的问题提供了线索。对于物理学家而言,所谓的终极快乐,就是看到一个你可以探究的秘密出现。”
邢志忠,2011年10月5日初稿、14日定稿,2014年12月首发于科学新语林《粒子与宇宙》专栏。
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