宇宙加速膨胀的发现背后的主要天体物理学家之一,对宇宙学历史上最令人震惊的启示之一感到高兴,他对这一观察结果引起的困惑感到高兴。事实上,他想知道这种加速最终是否会成为最终解释中最重要特征。“这可能是一些看起来像加速的意外情况,”超新星宇宙学项目 (SCP) 的负责人 索尔·珀尔马特 说,该项目于 1998 年首次宣布了这一惊人的事实。现年 48 岁的珀尔马特是一位实验主义者,他正在等待并计划进行更多观测:“在我们进行长时间的更多数据运行之前,这还不是一个成熟的领域。”
珀尔马特在旧金山湾区西部山丘上的劳伦斯伯克利国家实验室的办公室里,思考着宇宙的奇异之处。房间是这位科学家的混合体,里面有太多的电脑屏幕、太多的成堆的文件和一个写满方程式的白板,爱因斯坦也会引以为豪。远处金门大桥的壮丽景色不禁让人产生崇高的想法。
自从科学界得知珀尔马特小组和澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特(Brian Schmidt)领导的 High-Z 超新星搜索小组(由空间望远镜科学研究所的亚当·里斯(Adam Riess)率先进行分析)的惊人发现以来,已经十年了。研究人员发现,宇宙不仅在膨胀;由于未知的原因,它的膨胀速度正在加快。
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这项发现花费了多年的创新和问题解决。关键是超新星——特别是 Ia 型超新星。此类事件非常稳定——爆炸具有固有的亮度,这种亮度会随着时间推移可预测地衰减,使天文学家能够将它们用作“标准烛光”,从而确定它们与地球的距离。 20 世纪 80 年代,珀尔马特与加州大学伯克利分校的卡尔·彭尼帕克合作,以机器人方式搜索相对较近距离的超新星。当时这个领域还很年轻,他们的主要竞争来自澳大利亚的业余天文学家罗伯特·埃文斯,他用后院望远镜识别超新星。
一开始,珀尔马特小组的困难在于获得望远镜时间,这在天文学界总是很宝贵的。研究人员如何说服分配者给他们机会去寻找尚未发生的超新星爆炸?因此,他们研究出预测和自动探测给定天空区域中超新星的方法。但是,他们确定宇宙动力学的目标——当时被认为是物质主导的减速膨胀——仍然需要额外的观测来绘制超新星的亮度峰值和下降,这需要几周的时间。珀尔马特软磨硬泡,恳求同事在短时间内给他一两个小时,一天中的任何时候都疯狂地给世界各地打电话。他说,每个人都知道他,一半令人讨厌。“我总是担心一些必须在接下来 24 小时甚至有时是接下来的两个小时内发生的事情。他说,“这是一种糟糕的普通生活方式。”
但坚持不懈得到了回报。对遥远 Ia 型超新星的观测发现它们比预期的要暗淡。在排除了星系际尘埃的可能性之后,并在世界各地(以及轨道上)的望远镜进行了多年艰苦的数据收集和分析之后,珀尔马特的团队得出的结论是,令人难以置信的是,宇宙不仅像埃德温·哈勃在 1929 年发现的那样正在膨胀,而且它的膨胀速度还在增加。某种具有负压的未知力似乎正在将宇宙推开。
随后两年后进行的宇宙微波背景气球载观测表明,宇宙在空间上是平坦的——它在大爆炸之后被一种称为暴胀的指数膨胀拉伸开来。这些实验背后的方程式与几年前超新星团队的方程式相辅相成,结果共同使科学家能够分别计算宇宙中暗能量的密度和物质的密度。
但另一方面,这一发现揭开了一个谜团,其大小与宇宙本身一样大。最简单的解释是,暗能量是爱因斯坦著名的“宇宙学常数”,这是一种渗透到空间但不与任何类型的物质相互作用的能量。今天,天文学家已经深入研究了这种情况的细节;如果这是真的,那么宇宙由 72% 的反引力暗能量、23% 的暗物质(看不见且未表征,但容易受到引力的影响)和 5% 的正常物质(质子、中子、电子)组成。我们只是整体的一小部分,被困惑所包围。
哈佛大学天文学家克里斯托弗·斯塔布斯说:“很可能存在我们尚未完全理解的巨大现实,”他在一篇论文中将新宇宙比作“生活在糟糕的《星际迷航》剧集中”。德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家史蒂文·温伯格简单地称之为“理论物理学喉咙里的一根刺”。
尚未有人提出用魔法来解释加速宇宙,但几乎所有其他解释都已被提出。在过去的几年里,物理学家们扩大了他们的搜索范围,从真空能量扩展到可能对广义相对论的修改、随时间和空间变化的无自旋能量场、大质量引力子、膜世界和额外维度。“所有这些都非常令人兴奋,任何一个都将改写教科书,”劳伦斯伯克利分校和加州大学伯克利分校的宇宙学家埃里克·林德说。假设的排斥暗能量场很可能在最终解释中无法幸存下来。
珀尔马特说:“理论家现在确实陷入了困境。” “但从实验主义者的角度来看,这很棒:我们有一个谜团,并且我们有办法解决它”——即以新的望远镜和卫星的形式来观察更远的宇宙(因此,更早的时间)。
地面项目已经在收集更多数据,寻找数百个 Ia 型事件(而不是珀尔马特和施密特的数十个),以确定宇宙压力和密度之间的关系,类似于理想气体定律。像我们银河系这样的星系大约每几百年就会出现一次 Ia 型超新星,其亮度会在数周内衰减,这使得寻找它们成为一项相当大的挑战。即将发射的普朗克卫星通过观测宇宙背景辐射,将提供更多关于宇宙膨胀的细节。
暗能量爱好者特别关注联合暗能量任务,该任务目前正在美国规划阶段,可能于 2014 年发射。该探测器将搭载一种设备,该设备每年可以发现数千颗超新星,并提供比迄今为止任何工作都小得多的误差条。超新星加速探测器 (SNAP) 是候选者之一,珀尔马特是首席科学家,林德是首席理论家。它将配备一个约两米宽的望远镜和一个千兆像素相机。
宇宙加速的发现肯定会赢得诺贝尔奖,多年来,关于哪个团队应该获得优先权一直存在争议。珀尔马特的 SCP 团队首先宣布了这一发现,但施密特的 High-Z 团队在发表这一发现方面击败了 SCP 团队。珀尔马特和施密特分享了 2007 年格鲁伯宇宙学奖的四分之一,剩余部分授予了他们的两个团队。
珀尔马特性格外向,健谈,他将自己的成功归功于能够传达他的兴奋之情并说服其他研究人员加入他的团队。作为一名业余小提琴家,他也教授物理学和音乐本科课程,他用管弦乐队来类比。“作为一名小提琴家,我总是喜欢一群人创造性地协调一致的时刻。”