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超新星與暗能量的發(fā)現(xiàn)－－今年諾貝爾物理獎工作的介紹 已有1人參與
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轉(zhuǎn)貼陳學(xué)雷老師的博文。 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3061&do=blog&id=493335 超新星與暗能量的發(fā)現(xiàn)－－今年諾貝爾物理獎工作的介紹 精選 已有 9597 次閱讀 2011-10-5 02:14 |個人分類:科學(xué)普及|系統(tǒng)分類:科普集錦|關(guān)鍵詞:暗能量，超新星，諾貝爾獎 今年的諾貝爾物理獎授予了三位在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的研究中做出杰出貢獻的學(xué)者：Perlmutter, Schmidt和Riess. 應(yīng)該說，由于這項工作無可爭辯的巨大重要性，幾年來他們一直是獲獎的熱門人選。但是，導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量是什么仍是一個未解決的問題，而相關(guān)的許多理論和觀測還處在研究的前沿，存在許多疑問和爭論，諾貝爾獎評委會素有穩(wěn)重、保守的傳統(tǒng)，所以我原以為他們還要再過若干年才會獲獎。因此，作為一名宇宙學(xué)研究者，我為他們今年獲得這項殊榮感到非常高興。 Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因為對超新星的研究而獲獎的。超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當一些恒星壽命結(jié)束時將會塌縮，然后發(fā)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。后來發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)在一般認為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星比如太陽在燃盡核燃料后就會變成白矮星）從其伴星中吸積物質(zhì)，到一定程度后發(fā)生核爆炸。有趣的是，茨維基和巴德最早觀測到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過的類型，被稱為Ia型超新星。 圖1：超新星遺跡Cas A. 由于超新星很亮，可以在宇宙中很遠的地方看到，因此可用來研究宇宙學(xué)。特別是，白矮星有一個質(zhì)量上限，稱為錢德拉塞卡質(zhì)量，大約是1.4個太陽質(zhì)量，白矮星發(fā)生超新星爆炸時大多都比較接近這個質(zhì)量。既然這時白矮星的質(zhì)量都差不多，就有理由認為，其爆炸時的亮度可能也差不多。這樣，Ia型超新星就有可能作為“標準燭光”來使用：假定所有超新星的“絕對亮度”也就是本身的亮度相等，那么根據(jù)觀測到的一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測它到我們的距離。另一方面，我們還可以觀測到這些超新星的光譜，從中測出超新星的“紅移”。比如，一條原來在615納米的譜線，經(jīng)過紅移后變?yōu)?230納米，那么我們就說這個超新星的紅移z=1,因為觀測到的譜線長度是原來的(1+z)倍。如果我們把測到的超新星的紅移和距離一一對應(yīng)起來，我們就可以畫出所謂哈勃圖，不同的宇宙學(xué)模型的哈勃圖是不一樣的，因此用這種辦法，可以測出宇宙到底是什么樣的。 圖2：這是Perlmutter 等人1998年發(fā)表的超新星哈勃圖，橫坐標是紅移，上面一圖的縱坐標是星等（越暗星等越大），幾條曲線是不同宇宙學(xué)理論的預(yù)言。下面圖則是與理論的偏離。 盡管上面敘述的這種辦法原則上講很簡單，但實際做起來并不容易。首先是要發(fā)現(xiàn)超新星。盡管我們上面說超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一點。下面的圖演示了一個超新星的發(fā)現(xiàn)圖像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，經(jīng)過兩次放大之后也并不容易在圖像上看出來。發(fā)現(xiàn)它的辦法是，把兩個同一天區(qū)但在不同時刻拍攝的照片疊放在一起，用后一張減去前一張，從二者之差發(fā)現(xiàn)可能變亮的候選目標。這樣找到的候選者還不都是超新星，還有一些別的東西，比如星系中心的活動星系核有時會變亮，太陽系中的小行星有時會正好飛到這里，等等。在進一步觀測排除這些其它東西后，才能找到超新星。這進一步的觀測包括用多次不同時刻的觀測得到超新星亮度隨時間變化的曲線（光變曲線），以及拍攝超新星的光譜以測定紅移。光譜觀測比照相觀測更難，往往需要更大的望遠鏡，而且需要在超新星最終變暗以前進行。 圖3：SCP組演示如何通過比較法找超新星的圖 1980年代中期，一些丹麥的天文學(xué)家開始試圖尋找這些宇宙中的遙遠超新星，經(jīng)過長達2年的搜索，他們才找到了第1顆超新星，后來他們又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)超新星，再加上對超新星是否真是“標準燭光”持懷疑態(tài)度，許多天文學(xué)家當時對這類研究抱悲觀態(tài)度。 也是在這一時期，勞倫斯伯克利實驗室(LBL)的一組物理學(xué)家開始對搜尋超新星產(chǎn)生了興趣。這一小組的傳奇的創(chuàng)始人Luis Alvarez興趣廣泛。他本人因為高能物理實驗（氣泡室）方面的工作獲得諾貝爾獎，但他更為公眾所知是因為提出小行星撞擊地球?qū)е驴铸垳缃^的理論。這一小組中的Carl Pennypacker 和Rich Muller開始進行超新星研究，發(fā)展了一套在圖像中自動搜索超新星候選者的軟件。他們利用澳大利亞的3.9米望遠鏡進行了一段時間的搜尋，但是一開始他們失敗了，并未找到任何超新星。后來，Pennypacker 轉(zhuǎn)而從事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez關(guān)于恐龍滅絕研究的影響，轉(zhuǎn)向研究氣候變化和全球變暖問題——其實他關(guān)于超新星搜尋的工作也是與尋找“復(fù)仇之星”（Nemesis)相結(jié)合的。古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)歷史上的生物大規(guī)模滅絕存在周期性，Muller 認為可能是由于太陽有一顆紅矮星或褐矮星伴星即復(fù)仇之星，當它沿周期軌道接近太陽時，其對小行星軌道的擾動就容易導(dǎo)致小行星撞擊地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一開始就是尋找這顆復(fù)仇之星。后來，Perlmutter接掌了超新星項目。有趣的是，盡管Rich Muller本人在宇宙學(xué)領(lǐng)域工作的時間不長就離開了，但他有兩個弟子后來因為宇宙學(xué)研究得到了諾貝爾獎：研究CMB的George Smoot 2006年獲獎，Perlmutter今年獲獎。 Perlmutter 接掌這項工作正是在項目最困難的時期：他們未取得任何成果，連一顆超新星都沒能發(fā)現(xiàn)，而與澳大利亞人的合作也到期結(jié)束了。這一項目是否還能進行下去？伯克利以及美國的資助機構(gòu)在認真的評估后決定繼續(xù)予以資助。Perlmutter工作專注，被認為是可以挽救這一項目的人選。他們還是得到了經(jīng)費，造了一臺CCD相機安放在西班牙加納利群島的一臺望遠鏡上，作為交換他們可以使用這一望遠鏡進行超新星搜索。Perlmutter也很努力，為了對發(fā)現(xiàn)的候選超新星進行后續(xù)觀測，Perlmutter 會給全世界各處天文臺的望遠鏡打電話，懇求正在使用望遠鏡的人幫助他進行觀測。 早期超新星研究的一大困難在于如何保證找到超新星并拍攝到其光譜。這里除了技術(shù)上的困難外，還有獲得望遠鏡觀測時間的困難。現(xiàn)代的天文望遠鏡都是由許多天文學(xué)家共用的。一位或一組天文學(xué)家要用望遠鏡，需要寫一份建議書，說明自己的科學(xué)目標和觀測方法，經(jīng)過同行評議后，由望遠鏡時間分配委員會根據(jù)評議結(jié)果決定分配多少時間。這樣，大型望遠鏡的觀測時間表一般早就提前一年或半年定下來了。而在發(fā)現(xiàn)超新星之前，人們很難預(yù)先申請到這些觀測時間，發(fā)現(xiàn)超新星后往往只好臨時借用別人的觀測時間進行后續(xù)觀測，這很難保證獲得大量數(shù)據(jù)。Perlmutter 發(fā)展了一套“批處理”的方法：他們每隔一個月，用觀測條件最好的無月夜拍攝大片的星空，并立即與以往的觀測進行比較，找出可能的超新星候選者，這樣第2天他們就可以獲得一批超新星候選者樣本，然后再用Keck 10米望遠鏡等大望遠鏡進行后續(xù)光譜觀測。恰好超新星的光變周期是幾個月，因此這一方法非常有效。由于一次可以得到多個超新星候選者，也就可以申請到大望遠鏡的觀測時間。用這種辦法，Perlmutter領(lǐng)導(dǎo)的研究小組（稱為超新星宇宙學(xué)計劃Supernova Cosmology Project, SCP)開始發(fā)現(xiàn)大量的超新星。 伯克利的SCP小組由物理學(xué)家組成，他們一開始對于超新星天文學(xué)中的許多困難并不完全了解，“無知者無畏”可能是他們在大多數(shù)天文學(xué)家對超新星觀測感到悲觀時勇于進行這項研究的部分原因。然而，隨著他們逐漸接近成功，天文學(xué)家們也開始看到希望并準備參加競爭。哈佛大學(xué)的Bob Kirshner （Adam Riess的導(dǎo)師）等人也想進行超新星觀測，但問題是，SCP小組曾花費幾年時間才研制出自動化超新星搜尋軟件，別人能否在短期內(nèi)研制出這樣的軟件呢？如果沒有，要進行競爭是困難的。Brian Schmidt 只用了一個月就開發(fā)出了這樣一套軟件，他沒有象SCP小組那樣完全新寫一套軟件，而是通過組合一些現(xiàn)成的天文軟件而實現(xiàn)了這一目標。這樣，由Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人組成的High-z 小組以出人意料的高速加入了競爭的行列。 現(xiàn)在找超新星的問題解決了，但Ia型超新星是否真是標準燭光呢？遺憾的是，并非完全如此。漸漸地人們發(fā)現(xiàn)Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的變化速度更快一些，有些則更慢一些。不過，Mark Philips 通過研究發(fā)現(xiàn)，那些絕對亮度更大的超新星，其變化速度也往往更慢。因此利用光變曲線可以修正超新星絕對亮度的變化。 此外，對于實際觀測的超新星，還需要考慮好幾個其它問題。星際空間存在著塵埃，這些塵埃會吸收光子，使超新星變暗。好在這一效應(yīng)還是可以修正補償?shù)�。塵埃吸收除了使目標變暗外，還會更多吸收藍光而導(dǎo)致目標變紅，因此根據(jù)其變紅的程度進行修正。問題是，每顆超新星其本身的顏色其實也并不完全相同。最后，即使本身光譜完全相同的超新星，當它位于不同紅移時，用給定波長的濾光片組進行觀測時，得到的顏色也是不一樣的，還需要對這一效應(yīng)進行改正。好在這幾個效應(yīng)雖然復(fù)雜，但有規(guī)律可循。哈佛大學(xué)的研究生Adam Riess 發(fā)展了一套數(shù)學(xué)方法，他發(fā)現(xiàn)，利用多個濾光片拍攝的光變曲線數(shù)據(jù)，經(jīng)過改正后，Ia型超新星還是可以作為近似的標準燭光的，因此用Ia型超新星進行宇宙學(xué)研究是有希望的。實際上，即使到了今天，人們也還是不完全理解為什么Ia型超新星經(jīng)過修正后可以作為這么好的標準燭光。人們很容易想到各種因素，使得Ia型超新星偏離標準燭光，這也是一開始很多天文學(xué)家對超新星宇宙學(xué)感到悲觀的原因。然而數(shù)據(jù)顯示Ia型超新星經(jīng)過修正后確實還是不錯的標準燭光，這是大自然給我們的一個驚喜。當然，研究者們?nèi)栽谔骄窟@其中的原因。 SCP和High-z這兩個小組的競爭非常激烈。到了1997年下半年，他們開始發(fā)現(xiàn)，高紅移的超新星比他們原來預(yù)期的要暗。根據(jù)哈勃圖，這表明宇宙的膨脹在加速而不是減速。這是否是由于觀測或數(shù)據(jù)處理上的錯誤造成的呢？或者，塵埃吸收等因素考慮得不夠周全？經(jīng)過反復(fù)檢查，1998年1月，兩個小組幾乎同時公布了自己的觀測結(jié)果，SCP組有42顆超新星數(shù)據(jù)，High-z 組只有16顆超新星數(shù)據(jù)，但每顆的誤差要小一些�？傊�，他們一致的結(jié)論是宇宙的膨脹在加速。這一結(jié)果轟動了世界。 按照廣義相對論理論，如果宇宙由一般的“物質(zhì)”（包括所謂“暗物質(zhì)”）組成，其膨脹會逐漸減速，這是萬有引力的作用。那么如何解釋觀測到的宇宙膨脹加速呢？目前主流的解釋是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一詞是美國宇宙學(xué)家Mike Turner 引入的。它實際上也是物質(zhì)的一種形式，但具有很奇特的性質(zhì)。比如，它的有效“壓強”小于0，這些壓強項使時空的彎曲與一般物質(zhì)造成的時空彎曲相反，因此可以理解成是與萬有引力相對的“斥力”，可以導(dǎo)致宇宙加速膨脹。根據(jù)現(xiàn)在對宇宙微波背景輻射、超新星等實驗數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙中大約百分之七十五左右是暗能量，此外還有百分之二十一左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占百分之四多一點。 圖4：宇宙的組分 也有人認為不需要引入新的物質(zhì)形式“暗能量”，而是萬有引力的規(guī)律與我們一般所假定的廣義相對論理論有所不同造成。不過，這種修改引力理論往往比暗能量理論更為復(fù)雜。廣義地說，這也可以算暗能量模型。 還有少數(shù)學(xué)者懷疑超新星的觀測或數(shù)據(jù)分析有錯誤，宇宙并未加速膨脹。但是，13年來人們又觀測了許多超新星，目前總數(shù)有幾百顆，對其分析也更加深入，雖然還存在很多疑點（比如Ia型超新星爆炸的機理到底是什么？），但數(shù)據(jù)本身經(jīng)過許多不同的天文學(xué)家用不同方法的分析，迄今并未發(fā)現(xiàn)大問題。其次，有人曾提出Ia型超新星的光在傳播中會由于與一種被稱為“軸子”的假想粒子的相互作用而變暗，導(dǎo)致其被誤認為是宇宙加速膨脹。但是，這種假設(shè)與觀測的擬合并不好。特別是，有的高紅移超新星測量結(jié)果表明，宇宙的膨脹并非一直加速，而是先減速再加速，這用上述假說不容易解釋，而卻正是暗能量理論的預(yù)言。 暗能量的存在也有一些其它方面的證據(jù)。例如，早在SCP和High-z 小組公布他們的超新星觀測之前，有一些科學(xué)家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根據(jù)宇宙年齡、物質(zhì)密度和功率譜等因素考慮，就認為宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩等其它觀測也支持宇宙中存在暗能量的理論。目前，也有少部分觀測，例如強引力透鏡的數(shù)量，與根據(jù)暗能量理論做出的預(yù)言符合得不好，但這些觀測目前其可靠性本身是比較低的，因此暗能量是為大多數(shù)人所接收的模型。 宇宙的加速膨脹是一個驚人的重大發(fā)現(xiàn)，因此其發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎也是意料之中的。但是，暗能量的本質(zhì)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(chǔ)物理學(xué)發(fā)展的突破口。國外有許多計劃中的實驗項目，而我國目前除了提出多種暗能量的理論模型外，一些天文學(xué)家也結(jié)合我國實際，提出了一些未來的暗能量實驗觀測計劃。例如，在南極冰穹A(那里的觀測條件好）建造大型光學(xué)望遠鏡，在我國天宮空間站上裝設(shè)光學(xué)望遠鏡，在南美建造大型的光譜巡天望遠鏡等，以及參與一些國外重大實驗項目的合作。筆者本人目前也正在推動開展“天籟計劃”研究，這是一項在國內(nèi)地面進行的實驗，研制專用射電望遠鏡陣列進行巡天觀測，利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的重子聲波振蕩特征精密研究暗能量的性質(zhì)。希望未來我國在這一方面的研究中也能做出重大的發(fā)現(xiàn)。 從今年獲諾貝爾物理獎的研究工作中，我們能受到什么啟發(fā)呢？我覺得，Schmidt 和 Riess 等人能夠憑借自己的研究積累，抓住戰(zhàn)機，在激烈的競爭中一舉沖入研究的最前沿，其能力和敏銳令人欽佩。但更值得思索和借鑒的是Perlmutter等人的頑強堅持。作為研究者，要有信心和勇氣在困難時堅持下去，正是這種信心和勇氣，使Perlmutter等人在人們大多對超新星宇宙學(xué)感到悲觀時能夠堅持下去。而美國的資助機構(gòu)能夠?qū)捜菔�，看出這一項目的科學(xué)價值和團隊人員的能力，保持對這一項目的資助，也是非常有眼光的。有重大創(chuàng)新的科研常常有很大的風險，很難保證完全實現(xiàn)計劃的成果。這時應(yīng)該怎么辦？我國現(xiàn)在口頭上也常常說支持探索、寬容失敗，但實際上有風險的研究計劃很難得到支持，更不用提對失敗的理解和寬容了。這恐怕是我們所應(yīng)該深思的。 |
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2樓2011-12-22 10:24:41
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