诺奖得主研究称宇宙正加速走向冰冷与死寂(图)

　　→在1572年发现的Ia型超新星。它们就是今年诺贝尔物理学奖得主的观测对象供图/CFP

　　↑2010年10月，NASA太空望远镜拍摄到一颗巨大的超新星，它的光芒被数百年前自身爆炸产生的灰尘和气体遮掩

　　羊城晚报记者 陈强

　　2011年10月4日，瑞典斯德哥尔摩，诺贝尔奖委员会发布会上，大屏幕上显示着三位获得物理学奖的科学家的照片，他们通过对超新星的观测而得出结论：宇宙膨胀不断加速，而且逐渐变冷。

　　上个世纪很长一段时间，科学家们认为，宇宙始于一场140亿年前的大爆炸，此后就不断膨胀，而根据广义相对论，物质间存在万有引力作用，宇宙的膨胀不会一直持续，将不断减速。然而，三位诺贝尔物理学奖得主在十几年前公布的观测结论，“震动了宇宙学的基础”（评价出自瑞典皇家科学院）。

　　这意味着什么？有科学家说，随着宇宙的持续加速膨胀，天体远离速度不断加速，遥远的宇宙将会变得越来黑暗、越来越冷，最终将变成无比寒冷的世界，“毁灭于冰”。

　　但没人知道，这一天会在何时。甚至，也没人知道现在的加速膨胀会不会一直持续。所以也有人认为，未来某天宇宙会减慢膨胀直至重新收缩，恢复到最初的状态，新一轮大爆炸又会来临。那么宇宙的命运将截然不同，“毁灭于火”。

　　是冰还是火？科学家们还在探索……

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　　“超亮”的超新星

　　此次获奖的三位科学家美国加州大学伯克利分校教授索尔·佩尔马特，出生于美国而拥有美、澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授布莱恩·施密特，以及美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯，分属于两个不同的研究小组，但都把目光锁定Ia型超新星。

　　要理解今年诺贝尔物理学奖三位获得者的研究，首先得明白他们共同的研究对象。

　　国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷研究员告诉羊城晚报记者，超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的，他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。后来的研究发现，还有另一种爆炸机理不同的超新星，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星，比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积物质，到一定程度后发生核爆炸，被称为Ia型超新星。

　　“超新星很亮，可以在宇宙中很远的地方看到。”陈学雷说，由于白矮星的质量都差不多，科学家便假定其爆炸时的亮度也差不多，既然所有的Ia型超新星光度相等，那么根据一颗Ia超新星的视亮度，就可以推测它到我们的距离。就好比一支蜡烛，离我们近看上去亮，离我们远看上去暗，观测它的亮度就可计算蜡烛距我们的距离。

　　科学家们还发现，当光源离我们而去时，光频率变低，光谱线向红端偏移，并且离去速度越大红移量越大，这就是天文物理中的“红移”现象。科学家可以通过观测超新星的光谱，从中测出超新星的“红移”，就可知超新星离开我们的速度如何。就像佩尔马特接受采访时所说：“这些光线看起来有多红就告诉了你，自这个超新星爆炸以来宇宙究竟膨胀了多少。观测不同的超新星，你就能够确定出50亿年、30亿年或者10亿年前宇宙有多大，由此就能确定出宇宙是如何随着时间而膨胀的。”

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　　完全相反的事实

　　1929年，美国天文学家哈勃首先发现了星体间距离不断变大的现象，证实了宇宙膨胀理论。主流学界认为，宇宙诞生于约140亿年前的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙开始不断膨胀。根据广义相对论，物质间存在万有引力作用，宇宙的膨胀不会一直持续，将不断减速。

　　起初，佩尔马特和施密特各自领导的研究小组也以为会发现宇宙膨胀正在减速的迹象。

　　但到了1997年下半年，他们开始发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。如果宇宙膨胀越来越慢的话，超新星应该显得更亮才对。

　　发现完全出乎他们的意料，连他们自己一开始都怀疑自己收集的数据。这是一个完全相反的事实：宇宙膨胀正在加速。两个小组经过反复检查，于1998年1月几乎同时公布了自己的观测结果。

　　这一结果轰动了世界。宇宙的膨胀正在加速，意味着在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。陈学雷说：“它撼动了整个宇宙学的基石。这就像是你往上扔一个皮球，结果发现皮球并未逐渐减速，却加速向上飞去了！”

　　“虽然少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误，宇宙并未加速膨胀。但13年来科学家又观测了许多超新星，目前总数有几百颗，对其分析也更加深入，虽然还存在很多疑点，比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么，但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析，迄今并未发现大问题。”陈学雷说。

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　　暗能量的“斥力”，让宇宙加速膨胀

　　那么，是什么让宇宙膨胀加速的呢？

　　按照广义相对论理论，如果宇宙由一般的“物质”（包括所谓的不发光的“暗物质”）组成，其膨胀会逐渐减速，这是万有引力的作用，因为任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。

　　如何解释观测到的宇宙膨胀加速呢？

　　“目前主流的解释是引入‘暗能量’的概念。”陈学雷表示，暗能量（dark energy）实际上也是物质的一种形式，但具有很奇特的性质。比如，它的有效“压强”小于0，这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反，因此可以理解成是与万有引力相对的“斥力”，可以导致宇宙加速膨胀。

　　据陈学雷介绍，科学家引入暗能量概念并不是无中生有，而是有一些证据证明它的存在。例如早在观测结果公布之前，就有一些科学家根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑，认为宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其他观测也支持宇宙中存在暗能量的理论。

　　“根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明，宇宙中大约75%是暗能量，21%左右是不发光的暗物质，我们熟悉的普通物质仅占4%多一点。”陈学雷表示，暗能量是大多数人所接受的模型，但它的本质仍然是谜。

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　　命运之谜仍未知

　　宇宙加速膨胀又意味着什么？

　　陈学雷解释，意味着那些遥远的星系将加速远离银河系，如果不断加速下去，它们的光将无法再传到地球，完全消失于视野之外，最后银河系就成了宇宙中真正的孤家寡人了。

　　不过，目前没人知道现在的这次加速膨胀会不会一直持续。诚如佩尔马特接受采访时说：“应该记住，我们并不知道是什么导致了当前的加速……谁知道我们现在看到的加速是不是也会停止，然后宇宙开始坍缩。所以，我要说的是，除非我们搞清楚了宇宙加速膨胀的原因，否则宇宙的命运将始终是个未知的谜。”

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　　国内学者的探索

　　2011年诺贝尔物理学奖的发现，向科学界揭露了一个近96%的成分仍然未知的宇宙，这些都是科学家正在不断探索的奥秘。陈学雷说：“像国内一些天文学家结合我国实际，提出了一些未来的暗能量实验观测计划，例如，在南极冰穹A（那里的观测条件好）建造大型光学望远镜等。我也正在推动开展‘天籁计划’研究，研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测，借此研究暗能量的性质。希望未来我国在此领域也能有重大发现。”

　　陈强