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宇宙在膨胀

宇宙在膨胀


      天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点,这已经不是第一次了。就在100年前,人们还认为宇宙是一个宁静的所在,比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响,记录着时间的平稳流逝,而宇宙本身则是永恒的,无始无终。但没过多久,一种颠覆性的红移就改变了人们的这种观点。

在20世纪初,美国天文学家汉丽埃塔?斯万?勒维特(Henrietta Swan Leavitt)发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时,女性天文学家没有接触大型望远镜的资格,但她们被天文台雇佣,来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔?勒维特研究了上千颗被称为造父变星(Cepheid)的脉动变星,发现越明亮的造父变星,脉动的周期也越长。利用这样的信息,勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。

只要有一颗造父变星的距离是已知的,其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗,它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了,直到今天,它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星,天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了20世纪20年代,美国加利福尼亚威尔逊山上当时世界上最大的望远镜投入了使用,这让天文学家能够证明,几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做“红移”(redshift)的现象,当光源远离我们而去时就会出现。光的波长会被拉长,而波长越长,它的颜色就越红。天文学家得出的结论是,星系不光在离我们而去,彼此之间也在相互远离,而且距离越远,逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律(Hubble’s law)。宇宙正在膨胀。

观测到的宇宙膨胀,在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论,此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论,宇宙只能收缩或者膨胀,不可能稳定不变。

这个令人不安的结论,提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因斯坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此,为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀,爱因斯坦在他的方程里加了一个常数,他称之为“宇宙学常数”( cosmological constant)。后来,爱因斯坦认为,加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而,有了那些完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测,我们可以得出这样的结论——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶,虽然他当年的理由是错的。

发现宇宙膨胀,让我们迈出了奠定基础的第一步,最终得出了今天的标准宇宙学观点,即宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起,宇宙就一直在膨胀;星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干,由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何?

当爱因斯坦放弃宇宙学常数,转而向非静态宇宙观点投诚时,他把宇宙的几何形状同宇宙的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的,还是介于两者之间——是平坦的呢?

开放的宇宙,指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话,所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反,引力强大的足以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话,宇宙最终会停止膨胀,然后坍缩回来,在一场炽热而剧烈的大挤压(Big Crunch)中终结。然而,大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙,其中的宇宙膨胀会越来越慢。因此,宇宙最终不是会终

结于烈火,就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙学常数,那么膨胀就将持续加速,哪怕宇宙是平坦的。

今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为,他们会测量到宇宙减速膨胀,测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法,从原理上讲,跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位,并测量它们如何运动。然而,说起来容易做起来难。自汉丽埃塔?勒维特发现造父变星的秘密以来,天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上,即数十亿光年以外,造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。

超新星,也就是恒星的爆炸,成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜,以及越来越强大的计算机,在20世纪90年代开启了全新的可能性,让天文学家有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步,则是光敏数码成像传感器CCD的发明——发明者威廉?波义耳(Willard Boyle)和乔治?史密斯(George Smith)因为这项发明获得了2009年诺贝尔物理学奖。

天文学家工具箱中的最新工具,是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短几星期之内,单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星(white dwarf)爆炸的结果——这种超致密老年恒星像太阳一样重,却只有地球这么大。这种爆炸是白矮星生命循环中的最后一步。

白矮星是一颗恒星核心处无法提供更多能量时形成的,因为所有的氢和氦都已经在核反应中耗尽了,只剩下了碳和氧。通过同样的方式,在久远的未来,我们的太阳也会变成一颗白矮星,最终变得越来越暗,越来越冷。

如果一颗白矮星处在一个双星系统之中(这是相当常见的),那么就会有更令人激动的结局在等待着它。在这种情况下,白矮星强大的引力会从它的伴星身上抢夺气体。然而,一旦白矮星超过1.4倍太阳质量,它就再也无法维持下去了。此时,白矮星内部会变得足够炽热,启动一场失控的核聚变反应,整个恒星会在几秒钟内被炸得粉身碎骨。

这些核聚变产物会释放出强烈的辐射,在爆炸之后的最初几星期内迅速增亮,直到随后的几个月内才逐渐变暗。因此,发现这些超新星必须要快,因为它们剧烈的爆发相当短暂。在整个可观测宇宙之中,平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大。一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。2011年9月,我们很幸运地在北斗七星附近的一个星系中观测到了这样一颗超新星爆发,通过一副普通的双筒望远镜就能够看到。但大多数超新星离我们要遥远得多,因而也暗淡得多。那么,面对这么大一片天空,我们究竟应该在什么时间往哪里看呢?

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