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宇宙是个加速膨胀的胖子?暗能量之谜①

2019-04-01 14:33 来源:光明网 
2019-04-01 14:33:25来源:光明网作者:责任编辑:蔡琳

  北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布2011年诺贝尔物理学奖授予三位科学家SaulPerlmutter、Brian Schmidt和Adam Riess,以表彰他们一项震惊世界的科学发现:宇宙正在加速膨胀!

宇宙是个加速膨胀的胖子?暗能量之谜①

图注:2011年诺贝尔物理奖得主

(图片来源:诺贝尔奖官方网站:www.nobelprize.org )

  在介绍加速膨胀之前, 我们先简要地回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃惊奇地发现,天空中的星系正在逐渐远离我们后退,而且这些天体退行的速度与它们离我们的距离成正比。这就是著名的哈勃定律。

  哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙正处于膨胀状态之中!这个发现在当时震惊了全世界,它甚至让很多人不安。因为千百年来,人们一直相信,或者愿意相信宇宙是静态的。然而,这个信念被哈勃的发现彻底粉碎。人们很希望宇宙的膨胀是在减速进行,因为,如果宇宙的膨胀越来越慢,这样未来的宇宙还有可能是静态的。

  说到这里,我们不得不提起天才的爱因斯坦。我们知道,爱因斯坦最伟大的科学贡献之一就是建立了相对论。根据相对论原理,时空的性质由所属的物质分布和性质所决定。因此,如果宇宙中只有物质,则宇宙只能减速膨胀。

  那么, 宇宙的膨胀是不是越来越慢呢?要回答这个问题,我们需要借助大型天文望远镜,对大量的天体进行观测。要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,我们需要测量遥远天体的距离和速度关系。天体的速度是可以通过其光谱直接测量的,但是测量距离却非常困难。

  天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度来推断距离。因此在测距过程中要选取那些具有确定的绝对亮度的天体作为观测对象,这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度,并利用亮度与速度的关系,我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系。

宇宙是个加速膨胀的胖子?暗能量之谜①

图注:超新星作为宇宙标准烛光的示意图

(图片来源: NASA/JPL – Caltech)

  幸运的是,宇宙中确实存在我们需要的标准烛光:即Ia型超新星。超新星是恒星演化到最后时刻发生突然爆炸形成的。这类星体爆发时非常明亮,在短短几个星期之内其亮度可以与整个星系相比拟,因此在很遥远的距离上都可以观测到。

  经过多年努力,由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗。这个观测证据表明,宇宙的膨胀正在加速!

  作者:赵公博,系国家天文台研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院天文学系主任。2012年入选中共中央组织部青年千人计划,2016年获得英国皇家学会牛顿高级学者奖,2019年入选国家“万人计划”科技创新领军人才。主要研究方向为依托大型星系巡天的宇宙学前沿。

[责任编辑:蔡琳]

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