宇宙年齡的界定者溫迪·勞雷·弗里德曼

冉浩

那顆星也許已經(jīng)不在那了

溫迪·勞雷·弗里德曼1957年7月17日生于加拿大安大略省多倫多，是醫(yī)生和鋼琴家的女兒。溫迪的家境不錯(cuò)，童年也沒有什么煩心事。父親淵博的知識(shí)使她更早地接觸了科學(xué)。

在她7歲那年，父親帶著她去看夜晚的星空，幽幽繁星訴說著宇宙的悠遠(yuǎn)。父親指著一顆星告訴她，也許那顆星，現(xiàn)在已經(jīng)不在那了。他告訴女兒，星光跨越空間傳到這里，經(jīng)過了遙遠(yuǎn)的距離，經(jīng)歷了漫長的時(shí)間，才進(jìn)入人的眼睛?，F(xiàn)在看到的星星，實(shí)際上是很多年以前的樣子。這個(gè)說法相當(dāng)新奇，也讓溫迪對(duì)宇宙有了深深的好奇。也許就是在那個(gè)時(shí)候，在她的心里埋下了自然科學(xué)的種子。

在她14歲那年，這顆種子萌發(fā)了，物理課堂激起了她對(duì)自然科學(xué)的興趣。盡管她的高中班主任信誓旦旦地表示“女孩們不需要學(xué)這個(gè)”，但她不打算接受這個(gè)忠告。

于是，溫迪進(jìn)入了多倫多大學(xué)。最初，她的專業(yè)是生物物理學(xué)，但她最后還是選擇了天文學(xué)。溫迪在校的表現(xiàn)不錯(cuò)，1977年獲得了學(xué)校的杰克遜獎(jiǎng)，并在1979年獲得了理學(xué)學(xué)士學(xué)位。畢業(yè)后，她繼續(xù)在多倫多大學(xué)深造，并最終在1984年通過天文學(xué)和天體物理學(xué)的工作獲得了理學(xué)博士學(xué)位。

緊接著，她就以博士后研究生的身份進(jìn)入了美國加利福尼亞州帕薩迪納的卡內(nèi)基天文臺(tái)。在那里，她最初的工作是測量河外星系的距離，并且評(píng)估附近星系中天體的數(shù)量，以便更好地理解它們的演化。也就是從這個(gè)時(shí)候開始，她漸入佳境，最后在天體觀測方面獲得了極高的成就。

加速膨脹的宇宙

溫迪的觀測最終涉及了宇宙的起源問題。從1929年哈勃觀測到遠(yuǎn)方的星系存在紅移現(xiàn)象，證明周圍的星系在離我們遠(yuǎn)去開始，物理學(xué)家就放棄了宇宙不變論。我們都知道，當(dāng)前對(duì)宇宙起源的普遍觀點(diǎn)是它始于一場大爆炸，之后，宇宙便開始向外擴(kuò)張。但是，這次大爆炸到底是多久之前發(fā)生的，或者說，我們的宇宙到底已經(jīng)有多大年齡了？

除了對(duì)宇宙背景輻射的分析，包括溫迪在內(nèi)的許多天文學(xué)家還在觀測極遠(yuǎn)的天體，通過比較這些天體的紅移和它們的距離來測定宇宙的膨脹速度。知道了宇宙膨脹的速度，就可以計(jì)算出宇宙從一個(gè)中心點(diǎn)膨脹到當(dāng)前的狀態(tài)用了多少時(shí)間，也就獲得了宇宙的年齡。但是，這需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考，天文學(xué)家也形象地稱之為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

Ⅰa型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光再適合不過了。Ⅰa超新星發(fā)生的條件是比較苛刻的。一般，如果雙星系統(tǒng)中的一個(gè)白矮星不斷通過引力吞噬它的伴星中的物質(zhì)，當(dāng)它的質(zhì)量累積到大約太陽質(zhì)量的1.4倍時(shí)就會(huì)爆炸，這時(shí)候就產(chǎn)生了一顆超新星，也就是Ⅰa型超新星。它會(huì)極為明亮，即使隔著幾十億光年，依然能夠被觀察到。因?yàn)樗械蘑馻型超新星都是在相同質(zhì)量的時(shí)候爆炸，其亮度恒定，就成了很好的觀測標(biāo)尺。從20世紀(jì)80年代開始，一些自動(dòng)化的搜尋裝置就已經(jīng)開始尋找這些罕見的標(biāo)尺了。

后來，國際上出現(xiàn)了兩個(gè)實(shí)力很強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)展開這個(gè)領(lǐng)域的工作，一個(gè)是由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的普爾馬特領(lǐng)導(dǎo)的“超新星宇宙學(xué)計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)，另一個(gè)是后來出現(xiàn)的由澳洲國立大學(xué)的施密特和太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心的瑞斯領(lǐng)導(dǎo)的High-Z超新星團(tuán)隊(duì)。他們利用地面望遠(yuǎn)鏡和1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡尋找和搜集超新星。到了1997年，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都獲得了足夠的數(shù)據(jù)，而他們

的結(jié)果顯示，遠(yuǎn)方的超新星比預(yù)想的要暗，宇宙的膨脹可能不是在逐漸變慢，而是正在加速。1998年，成果被發(fā)布。天文學(xué)家特納創(chuàng)造了“暗能量”這個(gè)詞，用來代表推動(dòng)宇宙加速膨脹的這股未知能量。1998年12月，美國著名的《科學(xué)》雜志將發(fā)現(xiàn)膨脹的宇宙評(píng)價(jià)為“年度重大突破”。而宇宙的膨脹速度到底有多快呢？該溫迪了。

比想象的要年輕

在卡內(nèi)基天文臺(tái)，溫迪和她的團(tuán)隊(duì)也在關(guān)注著超新星的變化，同樣，她們的團(tuán)隊(duì)也使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，她以卓越的觀測手段，積累了大量的數(shù)據(jù)。她們利用Tully-Fisher 關(guān)系、行星狀星云法和表面亮度起伏法進(jìn)行了獨(dú)立運(yùn)算，結(jié)果高度一致，獲得了用來指征宇宙膨脹速度的哈勃常數(shù)的新結(jié)果：大約80千米/（秒·百萬秒差距）。這個(gè)數(shù)值比之前桑德奇等人得出的45千米/（秒·百萬秒差距）的值高了不少。

而一個(gè)較高的哈勃常數(shù)暗示著一個(gè)更年輕的宇宙年齡，如果按照溫迪等人其中的一個(gè)結(jié)果——高達(dá)100千米/（秒·百萬秒差距）——計(jì)算的話，宇宙的年齡只有70億至100億年，即使按照80千米/（秒·百萬秒差距）來計(jì)算，宇宙的年齡也只有80億至120億年。這個(gè)數(shù)據(jù)確實(shí)有點(diǎn)驚掉人的下巴……因?yàn)槿绻凑丈５缕娴热瞬畈欢?0千米/（秒·百萬秒差距）的數(shù)據(jù)來計(jì)算，宇宙的年齡是150年至200億年，足足差了將近一倍。

最初，溫迪等人的數(shù)據(jù)被一些天文學(xué)家斥為荒謬，因?yàn)闇氐嫌?jì)算的宇宙年齡甚至比球狀星團(tuán)那等古老的恒星系統(tǒng)的估計(jì)年齡還要短。這些星團(tuán)被認(rèn)為是在銀河系中最先形成的天體，其年齡估計(jì)在130億至170億年。換句話說，你不能讓宇宙的年齡比銀河系還小吧？

但是，溫迪并不這樣想。她回應(yīng)一些天文學(xué)家的觀點(diǎn)時(shí)說，這些計(jì)算值所依據(jù)的球狀星團(tuán)理論模型并不完善，并且可能是以不準(zhǔn)確的假定作為依據(jù)的。而且她認(rèn)為，對(duì)球狀星團(tuán)元素組成和距離的觀測誤差可能造成不可靠的結(jié)果，而結(jié)果的可靠程度又很難判定。同時(shí)，溫迪也承認(rèn)，較大的哈勃常數(shù)與星系在太空中的分布和形成的標(biāo)準(zhǔn)理論存在沖突。或者說，要么她得出的哈勃常數(shù)有問題，要么，要對(duì)一些理論進(jìn)行調(diào)整。為了獲得更準(zhǔn)確的哈勃常數(shù)，溫迪還得繼續(xù)努力。

接下來，溫迪的團(tuán)隊(duì)借助另一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡——斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡——進(jìn)行觀測。這也是一臺(tái)大型軌道望遠(yuǎn)鏡，是世界上第一臺(tái)地球同步空間望遠(yuǎn)鏡。與哈勃望遠(yuǎn)鏡主要觀測可見光不同，斯皮策望遠(yuǎn)鏡主要關(guān)注天體紅外波段。2012年，溫迪團(tuán)隊(duì)宣布了哈勃常數(shù)的修正結(jié)果：74.3±2. 1千米/（秒·百萬秒差距）。歐空局以宇宙微波背景輻射為研究對(duì)象的團(tuán)隊(duì)在2013年將這一數(shù)

據(jù)修正為67.80±0.77千米/（秒·百萬秒差距）。看來，哈勃常數(shù)最終會(huì)鎖定在70千米/（秒·百萬秒差距）上下了。依此推算，宇宙的年齡大約在130億年上下，目前比較常用的說法是13.2億年。

更大，更清楚

為了獲得更好的結(jié)果，需要更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。溫迪發(fā)起了大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）項(xiàng)目，在2 003年至2015年擔(dān)任GMT項(xiàng)目委員會(huì)主席期間為GMT項(xiàng)目奔走呼號(hào)、籌集資金。

為了避開城市造成的光污染，GMT最終選址在南半球智利的拉斯坎帕納斯天文臺(tái)。GMT將由7個(gè)直徑8.4米的主鏡鏡片構(gòu)成，其中一個(gè)居中，其余的環(huán)繞在周圍，整體直徑將達(dá)25.6米，高達(dá)4 3米，整個(gè)大小與美國的自由女神像差不多。其外層還將加裝一個(gè)22層、大約60米的保護(hù)殼，同時(shí)具有巨大的天窗。整個(gè)望遠(yuǎn)鏡將建造在一個(gè)巨大的可旋轉(zhuǎn)底座上，以便它能根據(jù)需要指向特定的方向。這是一個(gè)極大望遠(yuǎn)鏡，也將會(huì)是迄今最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其分辨率將是哈勃望遠(yuǎn)鏡的10倍，人眼的2000倍。

目前，GMT項(xiàng)目已經(jīng)將選址的山頂平整，并開始鑄造鏡片，而且已經(jīng)完成了一些，預(yù)計(jì)在2020年完成建造。不過在徹底完成之前，GMT就能以4鏡片的狀態(tài)開始工作了。將來，期待溫迪能取得更多、更好的成果。