程鹗的科学网博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/eddiecheng 与科学、科学家、科学历史有关的通俗小文

博文

宇宙膨胀背后的故事(卅一):神秘可测的浩瀚宇宙 精选

已有 4614 次阅读 2020-3-31 07:39 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦|关键词:学者

1995年,哈勃望远镜在执行繁忙的观测任务之际,抽空指向了一个不应该瞄准的方位。那里除了零星几颗星之外只是漆黑一片,是宇宙的荒漠,没有值得动用哈勃望远镜的目标。

这一别出心裁之举给天文学家带来莫大的惊喜。哈勃望远镜花了十天时间连续采集那块荒漠稀有的光,传回地球一张群星璀璨的照片。当然,照片上的亮点不是恒星,而是巨大的星系。这些星系离我们如此遥远,从来没有在地球上任何强大的望远镜中出现过。只有在突破大气层之后,人类才偷得这惊鸿一瞥。

这一片“新天地”被命名为“哈勃深空”(Hubble Deep Field)。那些光点在100亿光年之外,是迄今人类看到最远的星系。因为哈勃望远镜视角有限,哈勃深空只是天幕上极小的一个斑点,却也有着3000来个星系。

两年后,他们故地重游,再一次给哈勃深空拍了照。这次,他们发现了两个新的亮点,应该是那里出现的超新星,按照序号分别命名为SN1997ff和SN1997fg。

在那么遥远的距离上,超新星爆发的过程因为相对论效应会在时间上拉得很长,相对容易碰巧遇到。但哈勃深空的范围太小,3000个星系中随时发现超新星依然是个很小几率的事件。因为哈勃望远镜资源太宝贵,他们没敢下这个赌注,提前预定好跟踪测量的时间。真的发现超新星之后,也就只能看着照片叹气。

里斯这时已经在哈勃望远镜研究所工作。他对这个被错失的大好机会耿耿于怀却也无计可施。纠结了足足四年之后,他有一天突然脑洞大开。哈勃望远镜是共享资源,无数团队用它执行各种各样的观测任务。那段时间里虽然没有人专门去观测哈勃深空的超新星,也许会有人无意中拍得那里的照片?

在存档的数据库中一番查找之后,里斯发现他的运气还真是非同一般。哈勃望远镜在1997年装配过新成像设备,正好就用了哈勃深空那片没什么动静的地方做基准进行调试,拍了一系列照片。他打开一看,SN1977ff赫然就在其中。里斯如获至宝,立即发挥他的专长进行数据分析。

在2001年的一次学术会议上,里斯对近年超新星研究的进展做了系统回顾。他再一次拿出哈勃图上的那条象征宇宙恒速膨胀的直线,然后一个又一个地展示哈佛和伯克利两个团队相继发现的超新星。它们都规规矩矩地坐落在直线的一侧,形成一条光滑曲线。那便是1998年发现的宇宙加速膨胀。

最后,他把遮住图像最右端的纸片拉开,第一次向世界公开了他的最新发现:SN1977ff。那颗110亿光年之外,人类所知最遥远的超新星。

这颗星孤零零地出现在图中的一个角落。它既不在哈勃的直线上,也不在宇宙加速膨胀的曲线上。正相反,它单独地坐落在哈勃直线的另一侧,意味着宇宙的膨胀在减慢。

难道,珀尔马特因为一颗更新、更可靠的超新星数据否定以前几颗星既成结论的乌龙再现了吗?

然而,在场的天文学家却没有惊异。他们不约而同露出了欣喜、会心的笑容。这正是他们期望的结果。

× × × × ×

1990年代是哈勃望远镜大放光彩的时代。天文学中曾争议几十年的一些老问题在它那强有力的镜片背后迎刃而解。天文界也如特纳所鼓吹的那样大踏步走进精确科学。

1994年,桑德奇的同事芙莉德曼(Wendy Freedman。通用的译名是“弗里德曼”,这里采用不同译法以与前面的Alexander Friedmann区分)宣布了又一个重大突破。她的团队用哈勃望远镜系统地测量了星系的距离和速度,再度证明哈勃定律,并获得历史上最精确的哈勃常数数值。

芙莉德曼是卡内基研究所的第一个女性正式成员。1990年代早已不是坎农、勒维特,甚至鲁宾、廷斯利所经历过的时代。虽然女性天文学家、物理学家依然不多见,却也不再是媒体专注猎奇的对象。

让媒体轰动的是她发表的数值。从勒梅特、哈勃、胡马森到桑德奇等,哈勃常数是天文学界横贯半个世纪的永恒争议。芙莉德曼公布的结果介于桑德奇和他的宿敌德沃库勒尔相差两倍的两个数值之间,不是桑德奇坚持的那么小。这样一来,哈勃常数的倒数表明宇宙的年龄又一次“只有”120亿年,比宇宙中最古老的恒星年轻。舆论因之大哗。

仅仅几年后,这个曾经让三代天文学家困惑的难题就自我消失了:宇宙年龄是哈勃常数的倒数只是在假设宇宙匀速膨胀的前提下倒推的结果。加速膨胀宇宙的年龄不再是简单的倒数。宇宙年龄会更大一些,比其中的恒星更古老。

当然,在天文学成为精确科学之际,最引人注目的是如何为那神秘的暗物质、暗能量精确定量。

× × × × ×

21世纪初,150多位天文学家合作对天空一个区域进行了一次规模庞大的“人口普查”。这个叫做“宇宙演化普查”(Cosmic Evolution Survey,简称“宇宙”:COSMOS)的项目以哈勃望远镜为主,辅以地面上各个大型天文望远镜,为星系编撰详细的地图。他们还注重于寻找星系之间构成引力透镜的机遇,连续发现了500多个实例。这样,他们可以充分地研究作为透镜的那个星系或星系团:通过光强可以测量星系中发光体的多少;通过透镜折射的程度又可以推算出星系的总质量。两相比较,便可以计算出星系中暗物质的质量。

这样,他们对宇宙中的寻常和暗物质的总量和分布有了相当准确的把握。

这次普查还带来意外的惊喜。在一个引力透镜的实例中,作为透镜的不是一个寻常的星系团,而是两个正在碰撞之中的星系!其中较小的星系像子弹般穿过较大的星系,正在另一端露出弹头。这个被命名为“子弹星系团”(Bullet Cluster)的特例为天文学家提供了研究星系碰撞动态性质的宝贵机会。综合不同观测方式的数据,他们发现暗物质与寻常物质的分布不再大致重合,发生了相当程度的分离。似乎他们有着不同的动力学表现。

1e0657_scale.jpg

两个星系碰撞所组成的子弹星系团的假彩色合成照片。其中粉红色和蓝色分别是寻常物质和暗物质所在的区域。

这个子弹星系团的照片引人注目,随即成为暗物质的最直观的证据。

× × × × ×

2001年6月30日,美国航天局又一颗科学卫星升空,接替十多年前的“科比”以更高精度探测宇宙微波背景辐射。这颗星原来叫做“微波各向异性探测器”(Microwave Anisotropy Probe),英文简称为“测绘”(MAP)。

这个探测器的主要倡导者之一便是狄克的学生、皮布尔斯的同学、同事威尔金森。当年如果不是被彭齐亚斯和威尔逊意外抢先,威尔金森应该会和狄克、皮布尔斯一起成为宇宙微波背景辐射的发现者。在那之后,他将整个学术生涯都倾注于这个宇宙宝藏。MAP上天一年后,威尔金森因病去世。作为纪念,卫星正式改名为“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)。

这个探测器其实并不是地球卫星,因为它不在绕地球的卫星轨道上运行。它被送到一个距离地球150万公里的特殊所在,与地球一起绕太阳运行。那里,来自太阳和地球的引力“合作”得最好,能够保持探测器与太阳、地球步调一致,保持相对位置恒定不变。这样的“拉格朗日点”(Lagrangian point)一共有五个,WMAP所在的那个点保证它永远地躲在地球的阴影里,不受太阳光影响。

在那里,WMAP常年巡天,不间断地收集微波辐射信号,绘制这个宇宙背景的详细地图。它果然不负众望,仅两年后便开始传回宝贵的数据。在超新星测量发现宇宙加速膨胀仅仅五年后,《科学》杂志在2003年又一次将其年度“科学突破”授予宇宙学领域,表彰WMAP的发现。

它验证了芙莉德曼对哈勃常数的测量,并很精确地得出宇宙的年龄为137.72亿年,误差范围不到百分之一。但它的主要任务——正如它的名字——是要拍摄宇宙微波背景中的“各向异性”。

十年前的科比已经为宇宙背景辐射拍下第一张全景,那是出生宇宙的第一张肖像。科比证实微波背景不是光滑的一片,而是分隔成区域,其间有着微小的温度差异。这些差异是宇宙暴胀之后来自量子力学的随机涨落,也正是我们今天能有星系结构的本源。但科比所拍摄的照片还只是粗线条,区域的边界模糊不清。WMAP的任务就是要拍一张更清晰的照片,能辨识这些各向异性区域的边界。这对于认识宇宙的几何性质和暗能量有着非同小可的重要性。

19世纪初,德国大数学家高斯(Carl Gauss)负责他所在的汉诺威公国的地图测绘。他曾有一个宏大的构思,要在当地的三座高山顶上测量它们构成的三角形的夹角。在欧几里德几何学中,三角形的三个内角之和必定是180度。高斯想实际地验证一下,因为他已经怀疑可能有不符合欧几里德公理的几何存在。只是他那时的仪器不可能有足够的精度,结果只能不了了之。但不久之后,他的学生黎曼(Bernhard Riemann)在他的指导下发展出一套非欧几里德几何学,为后来爱因斯坦发展广义相对论提供了数学基础。

将近200年后,现代天文学家已经不再认同爱因斯坦那个“有限无边”的球形宇宙模型。他们有越来越多的证据表明宇宙其实“只”是平坦的欧几里德空间。为了确证这一点,最好的方法也是像高斯那样,在宇宙中画一个巨大的、宇宙尺度的三角形,测量其内角。

当然,要作这样的测量,三角形的一个点只能在地球上或附近。另外的两个点可以坐落在地球上能看到最遥远的所在:宇宙微波背景。

宇宙微波背景来自大爆炸之后30万年。那时候的宇宙中以光速传播的粒子最多只走了30万光年的距离。因此,在那个背景上,同样温度的区域的大小应该不会超过30万光年,否则它们互相之间无法取得联系而达到热平衡。这样,背景上那些不同温度的区域边界便可以用来作为三角形的一个边,具有已知的边长:30万光年。另两条边的边长也很固定,都是地球到背景的距离。当WMAP以其比科比更强的精度拍摄出不同区域鲜明的边界时,就为我们提供了无数这样的三角形,也就可以在宇宙尺度上实现高斯的设想,验证欧几里德的原理。

其实,在WMAP之前,科学家就已经通过高空气球对宇宙背景做了这样的测量。WMAP在太空的拍摄更把这一测量提高到几乎毋庸置疑的精度:在不到百分之一的误差下,宇宙尺度三角形的内角之和是180度,的确是一个平坦的欧几里德空间。

cmb.png

科比、WMAP和普朗克卫星(自上而下)分别拍摄的宇宙微波背景图。

WMAP在太空的工作延续了近十年,在2010年结束。但测量宇宙微波背景的使命并没有结束。欧洲航天局在2009年发射了“普朗克”卫星,以更高的精度接替WMAP。彭齐亚斯和威尔逊在1960年代初无意中发现的这个微波背景在新的世纪持续并越来越清晰地为人类展现宇宙的秘密。

× × × × ×

爱因斯坦在广义相对论中引进的宇宙常数(Λ)是无中生有的人为参数。它的数值无法从物理原理中确定,只能通过与现实的宇宙拟合而得。对爱因斯坦来说,当时所知的宇宙是恒定不变的,Λ的数值便是通过得到这样一个宇宙解来确定。一旦哈勃的观测改变了对现实的理解,他立即放弃了宇宙常数。或者说,他用新的现实重新拟合了宇宙常数:Λ = 0。

早在1990年代初期,特纳、皮布尔斯等“无赖宇宙学家”就已经在理论上提出,宇宙中的寻常物质、暗物质和暗能量对宇宙质量密度的总贡献必须让它处于临界密度,亦即:Ω = 1,才能得到一个平坦的宇宙空间。在宇宙加速膨胀证明暗能量的存在、WMAP证实宇宙的平坦之后,他们的无赖已经转变为天文学的新现实。

通过引力透镜、普查,我们知道寻常物质、暗物质的数量和它们对Ω的贡献。如果宇宙中只有这些物质,Ω只有大约0.27。剩下的0.73只能靠暗能量来弥补。这样,宇宙平坦这个新发现的现实便提供了拟合Λ数值、确定暗能量数量的途径。暗能量的成分远远多于物质,占了几乎四分之三。

在1970年代物理学家通过规范场论为基本粒子的微观世界建立完整的“标准模型”之后,天文学家在世纪之交也为最宏观世界的宇宙建立了标准模型:ΛCDM理论。其中Λ代表暗能量,CDM则是冷暗物质的英文缩写。这个理论完整自洽、并且能够精确定量地描述诸如宇宙的年龄、平坦、膨胀等等观测事实。

在这个理论中,暗物质和暗能量是两个影响宇宙膨胀速度的决定性因素。如果膨胀的宇宙是一辆奔驰中的列车,暗物质就是刹车,在减慢列车的速度;暗能量则是发动机,不断在加快宇宙的膨胀。列车如何运行,宇宙如何膨胀,取决于二者的角力。

在爱因斯坦的广义相对论场方程中,物质——无论是寻常物质还是暗物质——的质量和能量是以密度的形式出现。它的刹车效力取决于密度的大小。相对论中,质量和能量可以互相转化,但它们的总量守恒不变。因为宇宙膨胀体积变大,密度就会随时间变小。早期宇宙的质量能量密度比现在会大得多,刹车好使;随着宇宙的膨胀,刹车会越来越不灵。

另一方面,暗能量之所以叫做“宇宙常数”是因为它在场方程中是一个常数项。也就是说,暗能量的密度不会随宇宙膨胀而改变。这个发动机兢兢业业,始终如一地运转,推动着宇宙膨胀。

于是,ΛCDM理论中的宇宙膨胀既不会是匀速,也不会一直都在加速。它取决于刹车和发动机功能的此消彼长。早期的宇宙因为暗物质的刹车强过暗能量的推动,宇宙的膨胀会减速。然而随着膨胀的继续,刹车逐渐减弱而敌不过引擎。终于在某个时刻,暗能量的推动超越了暗物质的刹车,宇宙膨胀从减速变为加速。

我们只是凑巧生活于宇宙膨胀在加速的今天。

里斯分析的那颗最遥远的SN1997ff超新星出现在110亿年前,那时候的宇宙还处于减速膨胀阶段。因此,这一与其它超新星不同的个例不仅没有否定几年前的结论,还恰恰又一次证实了ΛCDM理论。(这颗星与其它星的相反表现也在很大程度上证明超新星的结果不是来自某种未被认识或妥善处理的系统误差。)

行驶中的列车如果从减速突然变为加速时会伴随着明显的震动。里斯把宇宙相应的那一刻形象地称作“宇宙搐动”(Cosmic Jerk)。他的超新星证明了的确有过那一时刻——在大约50亿年前。《纽约时报》记者立刻采写了新闻稿,以发现“宇宙搐动”作为醒目的大标题。

英语中的这个“搐动”做名词时是“混蛋”的意思。那个大标题因此也可以理解为终于找到了“宇宙级混蛋”。标题下面正是一幅里斯志得意满的肖像。

× × × × ×

相对于宇宙接近140亿年的历史,人类文明不过寥寥几千年。在这期间,无数文人骚客曾经仰望星空,发出诸如“面对浩瀚的宇宙,人类是多么渺小”的感慨。他们不可能知道,宇宙的浩瀚其实还远远地超越他们的想象。

伽利略第一个举起望远镜,发现夜空中存在着大量肉眼看不见的星星。哈勃第一次系统地丈量了宇宙,不仅证实银河之外天外有天,还发现宇宙正变得越来越大。

哈勃望远镜在20世纪末再次为人类打开新的视野,看到更遥远的宇宙,欣赏到各种匪夷所思的星系美景。宇宙微波背景辐射更是让人类直接“看到”了宇宙的边缘和创世纪的遗迹。

然而,这所有的辉煌,却还只是宇宙的凤毛麟角。在ΛCDM标准模型中,所有星系的亮光所组成的视觉宇宙不过是宇宙整体的千分之四。在那之外还有不发光的物质,比如黑洞、星际尘埃和气体等等。它们与看得见的星系一起是宇宙的寻常物质部分,总体也不过只是宇宙的百分之四。

Matter_Distribution.jpg

宇宙成分图。从大到小分别为暗能量、暗物质、不发光物体和发光物体。

那百分之九十六的宇宙主体,是直到1970和1990年代才分别被科学界主流接受的暗物质和暗能量。它们才是真正宇宙浩瀚之所在。

无怪乎有天文学家曾戏谑:我们和我们以为的宇宙,不过只是宇宙中的污染,微不足道。

我们依然不知道暗物质、暗能量是什么,但我们毕竟终于认识到它们的存在和份量。在21世纪初,暗物质和暗能量从“未知的未知”(unknown unknowns)进入“已知的未知”(known unknowns),让我们意识到一个更深邃更隐秘的宇宙。


(待续)




http://wap.sciencenet.cn/blog-3299525-1226077.html

上一篇:宇宙膨胀背后的故事(三十):称量星系的体重
下一篇:宇宙膨胀背后的故事(卅二):我思,故我在…这个宇宙

7 鲍海飞 王安良 杜占池 张成岗 刘全慧 王永杰 田云川

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (6 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-5-28 13:07

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部