暗能量简史

学术 2024-12-19 08:03 北京

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大约二十五年前，遥远的超新星数据揭示了一些奇怪的现象——这一发现颠覆了宇宙的命运。

撰文 | 费尔南德斯

有时可以说，天文学是始于哲学的。抛开那些美丽的图片和复杂的数学公式，驱动天文学家思考的一些动机问题往往是这样的：“我们是孤独的吗？”“我们为什么在这里？”“宇宙是永恒的吗？”

20世纪80年代，当索尔·珀尔马特还是一名研究生的时候，最让他夜不能寐的正是宇宙的命运。

宇宙灯塔哈勃望远镜在近邻星系 NGC 4526中捕捉到了这颗Ia型超新星。这样的爆炸，多数发生在更遥远的地方，为暗能量的发现奠定了基础。

20世纪初，天文学家就已经知道宇宙在膨胀——但它会永远膨胀下去吗？还是说引力最终会把它拉回到一个大坍缩？当时并没有足够的数据能回答这些问题。

答案取决于宇宙的密度，其反映在空间本身的“形状”上。在一个闭合的宇宙中，密度是偏高的，星系之间的引力最终会使宇宙重新坍缩，把一切都再次聚集起来。在这样的宇宙中，平行线最终会相交。然而，在一个开放的宇宙中，由于没有足够的质量来阻止宇宙膨胀，星系之间的空间只会不断增长。在这样的宇宙中，平行线最终会散开。还有第三种可能：在平坦的宇宙中，平行线始终是平行的，宇宙中刚好有足够多的质量可以减缓宇宙膨胀，直至终止——但这需要无限的时间。

尽管理论认为宇宙确实是平坦的，但天文学家还没有观测到足够的物质来证明这一点。没有足够的物质，就没有足够的引力，膨胀将永远持续下去。因此，天文学家认为，精确测定物质的占比有助于匹配理论与观测，进而预测宇宙的未来。

为了解决这些重大问题，科学家研究了爆炸的白矮星，它们是Ia型超新星的前身。研究人员可以计算出这样一次事件的內禀亮度，通过与观测到的亮度作对比，从而推断出该事件的发生距离。将距离与超新星的宿主星系远离我们的速度（也就是红移）相结合，就可以揭示出那一时刻的膨胀速率。通过收集足够多的此类测量，天文学家可以看到膨胀速率在宇宙历史上是如何变化的，从而测算出物质的密度和宇宙的命运。

微妙的观测

筹划超新星的观测是很困难的。原因在于这种爆炸非常稀少，而且它们的位置不可预测。为了规避这些问题，两组科学家团队——由珀尔马特领衔创立的超新星宇宙学计划（SupernovaCosmology Project，简称SCP）和由布莱恩·施密特与尼古拉斯·桑泽夫领导的高红移超新星搜寻团队——巧妙地协调了世界各地几台望远镜的观测时间。这两个团队拍摄了几片天区，共计测量了数万个星系。几周后，他们又拍摄了同一天区的另一张照片。天文学家通过对比前后两次拍摄的照片，寻找那些之前不存在的光点。

光的消逝 Ia型超新星（如该图所示的SN 1997cj）的光，以一种特定的方式衰减（这种现象称为光变）。天文学家能够在超新星距离未知的情况下，根据光变确定它的內禀亮度。

然后，观测者们用其他的地面望远镜对新发现的光源进行跟进，最后再用哈勃望远镜进行观测。两个团队热切地致力于寻找尽可能多的可用超新星，彼此之间展开了一场激烈的竞赛。

亚当·里斯是高红移团队的一位天文学家，他帮助分析了当时获取到的数据。如果宇宙的膨胀会因众多星系之间的引力而减速，那么相对而言，遥远的超新星应该更加明亮。但这不是里斯发现的结果。相反，他发现遥远的超新星比预期的要暗很多——甚至比一个开放的宇宙预期的还要暗。

“我从计算机上得到的答案是‘宇宙具有’负质量。”他说，“现在来看，这是不合理的”。宇宙当然有质量，他认为，代码中一定存在某种错误。

或许，他无意中有了重大发现。

里斯给施密特发了一封电子邮件。它包含了一张超新星数据的图和一个简单的主题：“关于这个结果，你怎么看？”

“我只能想到他可能做错了什么，”施密特在2006年的一篇文章中回忆道。据他所知，珀尔马特的超新星宇宙学计划团队发现宇宙在减速膨胀。“和竞争对手得到不同的答案是一回事，得到一个不同而且疯狂的答案是另外一回事。”

与此同时，施密特并不知道，超新星宇宙学计划团队实际上也发现了同样奇怪的结果。

珀尔马特回忆说：“我们做了科学家该做的主要工作……97%的时间都在试图弄清楚自己哪里出错了。”他们检查了超新星的演化是否随着宇宙时间的变化而变化。他们检查了是否存在一种奇怪的“灰尘”，它无法被探测到，但会散射所有波段的光，使远处的超新星变暗。他们甚至检查了是否有星系改变了超新星的光线传播路径，从而使其变得更加暗淡。或者，也许真的只是代码的问题。

但是，如果数据没有问题，那么似乎只有两种可能：要么宇宙包含了负的质量（这显然是不对的），要么有种力量在抵抗引力，使宇宙以越来越快的速度膨胀。

有一种神秘的能量在抵抗引力的想法并不新鲜。阿尔伯特·爱因斯坦曾经提出，一个宇宙学常数（表示为lambda，Λ）可以使宇宙静止不动，防止它因自身的引力而坍缩。然而，当人们发现遥远的星系正在相互远离时，爱因斯坦放弃了这个想法。詹姆斯·皮伯斯在20世纪80年代再次启用了这个常数，以提高宇宙的能量密度，使空间变得平坦，即使在这种情况下物质密度看似很低。两个团队的数据表明，皮伯斯是对的。

然而，引入一种神秘而未知的能量不是一件小事。两个团队都想要确保结果的正确性。高红移团队的成员罗伯特·柯希纳在他的著作《奢华的宇宙》中回忆了他写的一封电子邮件：“我很担心……你可能需要一些Λ。感性上，你觉得这是错的；不过理性上，你不在乎，你只是在汇报观测结果。”

争辩、论证与结果

约二十五年之后，也就是今天，人们对接下来发生的事仍然没有明确的共识。但是，事情大概是这样发展的。

在1997年年底，珀尔马特和他的同事们向各个物理学相关部门的物理学家展示了他们的工作。出于谨慎，研究人员强调他们的结果只是初步的。但是在珀尔马特的一次报告结束时，物理学家乔尔·普里马克站了起来。他几乎无法控制自己，他向在场的每个人解释，这些结果是令人惊奇的，因为它们意味着存在一个宇宙学常数。

1998年1月，美国天文学会会议举办，这是天文学界最大的聚会之一。两个超新星团队都出席了本次会议，并讲述了一个类似的故事：我们的宇宙有较低的物质密度，将一直膨胀，直到永远。超新星宇宙学计划团队的成员阿里尔·古巴尔，在一份新闻稿中表示，如果来自超新星的结果成立，“天体物理学家可能不得不引入爱因斯坦的宇宙学常数”。

在同一场新闻发布会上，另一个由露丝·戴利和埃迪·格拉组成的团队，观察了有从核心喷射巨大喷流的星系。通过比较喷流的观测长度与预测的演化结果，研究人员计算了每个星系的距离。在1998年1月的新闻发布会上，他们表示，他们的数据显示宇宙不仅会永远膨胀，而且在加速膨胀。

其他支持性证据也在同一时期出现，比如当时也都在普林斯顿大学的妮塔·巴哈尔和樊晓晖关于星系团演化的工作，也表明宇宙中的物质密度较低。

在2月份的一个会议上，两个超新星团队再次相遇。会场里鸦雀无声，高红移超新星团队的阿列克塞·菲利彭科言简意赅地宣布，他们有证据表明宇宙中存在“斥力”——即我们今天所说的暗能量。

随之而来的是一片骚动，媒体涌入。在1998年5月的一个研讨会上，经投票，三分之二的科学家认为超新星为暗能量的存在提供了强有力的观测证据。这一发现被《科学》杂志评为年度突破，两个超新星团队的成员也因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。

随时间演化的宇宙基于遥远的Ia型超新星和其他现象的观测，对宇宙膨胀历史的测量。图片显示我们的宇宙曾经有过一段时间是减速膨胀的，只是这种状态不是永久的。物质间的引力使得宇宙在大约前半段时间减速膨胀，然后暗能量占据主导，导致宇宙正在加速膨胀。

改变对宇宙的认识

回首过去，科学界如此急切地接受一种被称为暗能量的力量的存在，这似乎令人惊讶。即使在26年后的今天，我们仍然不知道它是什么。然而，在当时，两个高度竞争和极其缜密的研究团队之间结果的一致性让人们接受了暗能量存在的观点。“研究团队对数据和结果的处理都非常严谨。”里斯说。

在暗能量发现后不久，作为一种完全独立的方法，大爆炸余辉（也就是宇宙微波背景）同样证实了宇宙的低物质密度和暗能量的存在。另外，来自星系和超新星巡天的大量数据，以及关于星系团如何随时间演化的研究，都证实了暗能量占据了宇宙的三分之二以上。能量，而不是物质，主导了我们的宇宙和它的命运。

目前来看，宇宙的几何形状是平坦的，但这并不意味着宇宙会永远膨胀。因为暗能量及其演化都是未知的。宇宙可能会继续加速，或者，如果暗能量是可变的，它还可能会重新坍缩。

今天，暗能量仍然是天体物理学中最伟大的发现之一，也是最神秘的谜团之一。珀尔马特深知其中的问题所在。“这个结果的奇怪之处在于，我认为我们能够回答的所有问题，我们都没有回答，”他说，“所以我们仍然不知道宇宙是否长久，也不知道宇宙是否无限。”

这些问题将等待着下一代的科学家们来回答。

本文经授权转载自微信公众号“中国国家天文”，节选自《中国国家天文》2024年11月刊。

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