遙遠的超新星和加速膨脹的宇宙

陶嘉琳

（法國科學院馬賽粒子物理中心，清華大學天體物理中心，北京 100084）

遙遠的超新星和加速膨脹的宇宙

陶嘉琳

（法國科學院馬賽粒子物理中心，清華大學天體物理中心，北京 100084）

2011年度諾貝爾物理學獎已頒發(fā)給Saul Perlmutter，Adam Riess和Brian Schmidt三人，以表彰他們“通過觀測遙遠的超新星發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹”的科學貢獻。本文介紹這一重大科學發(fā)現(xiàn)的背景、意義及其所開辟的新方向.

超新星；加速膨脹；宇宙學；暗能量

1 超新星和宇宙學中距離的測量

超新星分為許多種類，通常是根據(jù)光譜中有無氫線來進行分類，見圖1.

超新星的傳統(tǒng)分類尚未反映出當前人們對超新星爆發(fā)機制的理解.目前普遍認為，Ⅱ型超新星和Ⅰb、Ⅰc型超新星的爆發(fā)都是由于大質量恒星（其質量為太陽質量的許多倍）耗盡所有的核燃料之后，發(fā)生核坍縮造成的，而Ⅰa型超新星則是由于質量較輕的白矮星吸積其伴星，最終導致超新星爆發(fā).

像宇宙中的許多事物，包括我們?nèi)祟愐粯?，我們觀測的樣本越多，則會發(fā)現(xiàn)越多的多樣性.超新星的一個重要的觀測量，是它們的光變曲線的形狀，也就是說，光度隨時間的變化（見圖2）.

圖2 在靜止坐標系下觀測到的超新星的光變曲線

白矮星之所以能夠避免被自身強大的引力場所壓垮，靠的是電子簡并壓.白矮星在到達1.38個太陽質量的錢德拉塞卡質量上限之前是很穩(wěn)定的.（1983年的諾貝爾物理學獎授予天文學家錢德拉塞卡，部分原因是他計算出了錢德拉塞卡極限）當白矮星的質量達到1.38倍太陽質量之后就開始坍縮，但是坍縮的壓力點燃了爆炸性的碳反應，最終導致整個白矮星的爆炸，并遺留下中子星或黑洞這樣的遺跡.

光的輸出主要來自爆炸中產(chǎn)生的放射性鎳和鈷的衰減所發(fā)出的能量.觀測到的光能量與錢德拉塞卡極限有關，這在所有的Ⅰa型超新星爆發(fā)中基本一致.這使20世紀30年代之后的許多科學家 （如 Zwicky， Baade， Sandage， Kowal，Tammann等等）建議用Ⅰa型超新星作“標準燭光”來測量宇宙中的距離.

事實上，Ⅰa型超新星并非精確的“標準燭光”.觀測到的Ⅰa型超新星的峰值光度存在1個星等（也就是2.5倍亮度）左右的彌散，如圖3所示.圖3中還展示了不同Ⅰa型超新星的光變曲線.

圖3

Pskovskii［7］，Phillips［8］，Goldhaber 等 人［9］以及Perlmutter等人［10］提出，Ⅰa型超新星峰值處的光度與光變曲線的下降率有關：低光度超新星的光度衰減較快，高光度超新星衰減較慢.

經(jīng)過這種光變曲線的改正后，Ⅰa型超新星的相對光度的誤差可控制在20%以內(nèi).因此，將Ⅰa型超新星稱作誤差范圍為20%的“標準燭光”更為準確，這一改正被稱作標準化.隨后，人們又對超新星進行了顏色效應的改正，因而，相對于早期的工作，超新星的標準化已不斷得到完善.Ⅰa型超新星的標準化究竟能夠改進到何種程度？這是宇宙學的一個熱門話題，因為它決定了我們能夠在多大程度上改進超新星宇宙學.讀者可參考李宗偉和王曉峰關于超新星方面的中文綜述［7］.

2 超新星宇宙學項目組（SCP）和高紅移超新星搜尋項目組（High－z Supernovae）簡介

20世紀70年代，氣泡室項目結束之后，諾貝爾獎獲得者Luis Alvarez帶領的一組科學家對天體物理產(chǎn)生了濃厚的興趣.Rich Muller和Georges Smoot及其他人一起開展了研制宇宙微波背景輻射（CMB）探測器的工作，這導致了CMB偶極不對稱性的發(fā)現(xiàn)，后來Smoot參與了COBE的項目，并最終獲得了2006年的諾貝爾物理學獎.

Stirling Colgate等人［8］在1975年建議利用計算機自動搜尋超新星.Rich Muller和Carl Pennipacker在伯克利建立起了第一個項目組，Gerson Goldhaber，Saul Perlmutter和 Heidi Marvin也參與到其中.他們制作了一個鏡頭和一個大視場CCD相機，并將它們安裝在英澳天文臺的3.9m望遠鏡上.盡管有澳大利亞天文學家Brian Boyle和 Warrick Couch的幫助，但是觀測時的壞天氣使得他們3年來一顆超新星都未能找到.

首次成功搜尋到遙遠超新星是在20世紀80年代后期，利用位于智利的丹麥1.5m望遠鏡發(fā)現(xiàn)的.Norgaard－Nielsen等人［4］觀測到了兩個源，不過當它們被發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)過了光極大值.

隨后幾年，Saul Perlmutter發(fā)展了“批量搜尋超新星”的技術.在新月剛剛過后拍攝參考天圖，然后在下一個新月之前成批拍攝“發(fā)現(xiàn)”圖.接下來對獲得的數(shù)據(jù)進行自動分析處理，從可能發(fā)現(xiàn)超新星的圖片中減去參考天圖，將可能的超新星候選者標記出來.

得到超新星候選者的位置后，利用世界上的大型望遠鏡進行觀測和光譜分析，就可能認證出超新星.宇宙射線和熱像素可以通過疊加相隔幾分鐘的兩張圖像去除掉.這項搜尋工作還發(fā)現(xiàn)了小行星，活動星系核（AGN）以及許多其他變源.

1996年左右，SCP項目組終于發(fā)現(xiàn)了數(shù)顆超新星，這使得負責分配望遠鏡時間的委員會決定，給予SCP項目組更多的望遠鏡觀測時間.當時參加SCP項目的王力帆，目前是中國南極天文研究課題的項目負責人.

與此同時，委員會成員之一的Bob Kirshner意識到這一課題的重大意義.他決定與他的學生及博士后 Brian Schmidt，Adam Riess，Nick Suntzeff嘗試進行獨立研究，于是成立了高紅移超新星項目組.不久后，哈勃空間望遠鏡也發(fā)現(xiàn)了Ⅰa型超新星，地面望遠鏡也進行了測光.1997年1月召開的美國天文學會（AAS）大會上，發(fā)布了利用3顆超新星數(shù)據(jù)得出的非零的宇宙學常數(shù)的結果！然而，這一初步結果卻與當時同樣在會上宣布的SCP組的結果相矛盾.SCP組的結果來自對28個Ⅰa型超新星樣本中的7顆超新星的數(shù)據(jù)分析.

然而事后不久，Gerson Goldhaber［10］證實了SCP組最初所用的7顆超新星事實上是很特別的.而高紅移超新星小組似乎比較幸運，他們選擇的3顆超新星使他們更接近正確的軌道，他們的結果在接下來的一年中被另外的7顆超新星的數(shù)據(jù)所證實.

經(jīng)過10年的尋找超新星的艱苦努力和失敗，Saul Perlmutter和他的同事們終于在1998年底成功得到了42顆高紅移的Ⅰa型超新星.與他們最初試圖利用高紅移超新星去測量宇宙膨脹的減速因子的期望恰恰相反，這42顆超新星的數(shù)據(jù)，并結合Calan Tololo對近鄰Ⅰa型超新星的觀測數(shù)據(jù)，表明宇宙的膨脹似乎是在不斷加速的（圖4）！

圖4

高紅移超新星［5］和超新星宇宙學（SCP）［6］這兩個獨立的、彼此競爭的項目組所發(fā)表的結果互為佐證，使暗能量的證據(jù)更為可靠.

Gerson Goldhaber于2008年告訴了我們超新星宇宙學小組的故事以及許多科學家所做的貢獻［10］.可惜的是 Gerson Goldhaber于2010年辭世，否則他可能會與Saul Perlmutter共同獲得2011年的諾貝爾物理學獎.而R.Kirshner在《奢侈的宇宙：爆炸的恒星、暗能量和加速膨脹的宇宙》（2002年）中給我們精彩地講述了高紅移超新星小組的故事，以及兩個研究小組之間的競爭.

宇宙的加速膨脹是很令人驚奇的，因為如果宇宙中只有物質，膨脹將會減速，因此必須有其他的東西存在來解釋宇宙的加速膨脹.這一類似“萬有斥力”的效應可能源自愛因斯坦的宇宙學常數(shù)，也不排除其他更復雜的理論.

在得到多組數(shù)據(jù)的證實后，諾貝爾獎評選委員會決定對物理學獎授予這一重要發(fā)現(xiàn).隨著更先進的技術、更精確的定標、更好的“標準化”，這一發(fā)現(xiàn)被隨后的數(shù)百顆高紅移Ⅰa型超新星的觀測結果（包括SNLS、ESSENCE、SDSS等項目）和近鄰超新星（SNFactory，CfA）的數(shù)據(jù)所證實.2011年的三位諾貝爾物理學獎獲得者在這些方面做出了巨大貢獻（最新的超新星觀測結果及參考文獻請參閱文獻［14］）.

宇宙的加速膨脹無疑是一個非凡之謎.很遺憾的是，雖然這些成果是團隊共同完成的，但是諾貝爾獎只頒發(fā)給項目的首席科學家.諾貝爾獎評選委員會還面臨一個難題，那就是兩個研究小組最初所發(fā)表的論文的說服力太弱.即便將兩個組的樣本合在一起，其1997至1998年所發(fā)表的結論也只是“2σ”的結果，也就是說，是不具備足夠說服力的.

3 通向精確宇宙學之路

加速膨脹的宇宙學模型也得到了其他獨立的宇宙學探針的交叉佐證，包括宇宙微波背景輻射、重子聲波震蕩、弱引力透鏡、強引力透鏡等.在這些宇宙學探針的幫助下，人們成功構建起了被稱為宇宙學的標準模型的精確宇宙學模型.這一模型中的主要成分是廣義相對論中的宇宙學常數(shù)，以及另一個神秘的組分——暗物質.

如今我們卻面臨著一個“悖論”：我們可以用“百分之幾”的高精度，來測量我們對宇宙的“無知度”——因為我們僅僅知道今天宇宙組分中的4%！（參見圖5：構成今天宇宙各個組分的餅圖），而其中的主導成分導致了宇宙的加速膨脹.目前人們對這種神秘的宇宙組分幾乎一無所知，所以它被稱作暗能量.

圖11 構成今天宇宙的各個組分的餅圖

4 宇宙加速膨脹的早期線索

本篇綜述若不提及Tinsley和Gunn在1975年的工作［15］就有些有失公平了，他們對球狀星團年齡問題的分析得到了宇宙加速膨脹最早的線索.但是他們的結論被使用100km/s/Mpc這一過大的哈勃參數(shù)值給破壞了.Fliche和Souriau利用類星體數(shù)量演化以及分析獨立的哈勃－勒梅特參數(shù)得到了對于非平坦宇宙的一個正的宇宙學參數(shù)（1.19±0.13），還得到了一個很低的物質密度，事實上他們所得到的物質密度相當于現(xiàn)在測量到的重子密度（0.05～0.06）.這篇文章當時是在法國發(fā)表的［16］，可能因此也沒能得到廣泛的傳播，盡管總結部分是用英語寫的.

其他關于正宇宙學常數(shù)較早的線索來自G.Paál等人［17］對于 1990年 Broadhurst等 人［18］發(fā)表的“pencil beam巡天”的星系異常分布的數(shù)據(jù)的重新挖掘.利用這些數(shù)據(jù)，Paál等人發(fā)現(xiàn)，在一些宇宙學模型中，這些所謂的異常會變?yōu)檎?在這些模型中，需要引入宇宙學常數(shù)，即暗能量.兩年后在另一篇論文［19］中，他們得出ΩΛ大約等于2/3.這一數(shù)值被后來的Ⅰa型超新星的測量（以及其他測量）所證實.但是他們的工作直到最近才被人們注意到.

另外，出于一些理論上的考慮，也有必要引入宇宙學常數(shù).暴漲模型傾向于宇宙是平坦的，即宇宙的總密度恰好等于臨界密度，宇宙的幾何處在開放與閉合之間的臨界狀態(tài)——平坦的宇宙.對星系團的測量表明，宇宙中所有物質組分對宇宙平均密度的貢獻為0.3，所以需要某種新的組分，來貢獻其余的0.7，正如Ostriker和Steinhardt［20］在1995年所提出的.因此在1997年就流傳著宇宙學常數(shù)這一想法.這也是為什么盡管當初超新星數(shù)據(jù)得到的證據(jù)還比較弱的時候，人們就欣然接受宇宙學常數(shù)的原因之一.利用超新星證實宇宙的加速膨脹確是人類的一個重大的發(fā)現(xiàn)，盡管我們目前僅僅是觀測到了這一現(xiàn)象，而并不能理解其物理本質.

5 宇宙學常數(shù)還是暗能量？

愛因斯坦最早在他著名的廣義相對論方程中引入了宇宙學常數(shù)，用來使宇宙維持恒定不變.當哈勃及其同事通過對星系的距離—速度的測量，證實宇宙是在不斷膨脹的時候，愛因斯坦便認為沒有必要引入宇宙學常數(shù).

然而宇宙學常數(shù)的概念一直留到了今天，但它的物理詮釋，正如Zeldovich［21］最先提出的是真空的量子漲落，卻給出比實際觀測高出120個數(shù)量級的預言.而且，讓它在全部宇宙歷史中都保持一個常數(shù)，似乎也不可能，除非我們生活在一個空的de Sitter宇宙中.因此，理論家更傾向于宇宙學常數(shù)為零，是由于超對稱效應的相互抵消造成的.有關宇宙學常數(shù)和量子漲落關系的全面討論，參見 M.Maggiore［22］近期的論文.

鑒于目前測到的宇宙學常數(shù)不但不為零，反而主導了宇宙的動力學，我們亟需對其進行仔細測量，以使我們理解暗能量的本質：到底它就是宇宙學常數(shù)，還是一種標量場，比如quintessence？亦或是修改引力理論的假象，亦或是負質量，負能量，不均勻宇宙，或是我們的宇宙存在繞率……？現(xiàn)在已有太多的理論模型，我們在此不能一一枚舉.參考文獻［23］給了一個很好的綜述，它介紹了到目前為止的許多有趣的研究進展，以及現(xiàn)在的觀測給我們提供的暗能量的信息.

我們需要結合多種宇宙學探針，進行不斷改進的觀測，以使我們理解暗能量和暗物質的本質.其中最值得期待的是歐空局計劃于2018年之后發(fā)射的EUCLID衛(wèi)星［http：//sci.esa.int/science－e/www/object/index.cfm？fobjectid＝42266］，以及未來的平方公里射電望遠鏡陣列SKA這一國際項目（http：//www.skatelescope.org/）.另一個重要的項目是十年內(nèi)將建在南極最高點冰穹A的中國的2.4米望遠鏡KDUST，它將得到澳大利亞、法國和美國等國天文學家的國際支持（參見http：//www.kdust.org/KDUST/KDUST.html）.

致謝感謝李時雨和陳俊丞提供本文的中文版本，感謝Roland Triay提醒我Fliche和Souriau的文章.

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［23］ R.Durrer，invited talk at the meeting“Cosmological Tests of General Relativity”at the Kavli Royal Society Center for the Advancement of Science organized by Rachel Bean，Pedro Ferreira and Andy Taylor.in Phil.Trans.R.Soc.A （2011）

［24］ Reviews on Dark Energy projects in second decade of Cosmology in China 21st century，Scientia Sinica Physica，Mechanica ＆ Astronomica，Volume 41，Issue 12（2011）

DISTANT SUPERNOVAE AND THE ACCELERATION OF THE UNIVERSE

Tao Charling
（CPPM/IN2P/CNRS France，and Tsinghua Center for Astrophysics，Tsinghua University，Beijing 100084）

The Nobel Prize 2011in Physics has been awarded to Saul Perlmutter，Adam Riess and Brian Schmidt for their contributions to the“Discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae”.This article gives some background on the importance of such a discovery and the research path it is opening.

supernovae；acceleration；cosmology；dark energy

2011－12－16）