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寻找暗能量(一)

冯珑珑 中山大学天文与空间科学研究院教授


1
一个伟大的错误——宇宙学常数


在西方的文化传统中,我们很难追溯到宇宙膨胀概念的渊源。正如牛顿需要求助上帝以摆脱经典宇宙的坍缩厄运,为了维持一个亘古不变的稳定宇宙,爱因斯坦不得不在他的引力场方程中引入一个习惯被标记为希腊字符Λ的常数项,这就是广为人知的宇宙学常数。它替代了牛顿的上帝,其作用在物理上等效于一个斥力,用以抵抗宇宙中物质的引力坍缩,并允许在广义相对论的框架下存在静态宇宙解。随着哈勃通过近邻“漩涡星云”的退行观测所确立的宇宙膨胀图景,宇宙学常数已显得多余。爱因斯坦不无感叹地将宇宙学常数的引入称之为他一生最大的错误,并将其从引力场方程中毫不犹豫地剔除。

图1 爱因斯坦自称宇宙学常数的引入是他一生最大的错误

在科学上,几乎没有一个自然常数如宇宙学常数有如此反复无常的传奇经历。当最新的宇宙学观测和主流理论的矛盾不可协调时,理论家往往不自觉地从魔瓶中释放出宇宙学常数这个精灵,它总是可以施展神奇的魔法化解危机。然而,一旦更多的因素被引入,对主流理论的挑战压力得以缓解,宇宙学常数却摆脱不了被冷落禁锢的宿命。

宇宙学常数令人不悦之处在于它极端反常的行为。对普通物质而言,其质量和压力都是正的。然而,由宇宙学常数描述的物质形态,却是质量和压力符号相反,一个正的质量产生一个负的压力,它违背我们惯有的对物质世界的认知。

一半是天使,一半是魔鬼,这恰恰是宇宙学常数的神奇之处。

这看似一个天方夜谭式的传说,精灵一旦被释放,你再也不可能把它彻底收进魔瓶。

理论上对宇宙学常数的呼唤起始于上世纪60年代对宇宙遥远深处的类星体研究。然后,随着对类星体的宇宙学演化的深入,这种呼声悄然退去。嗣后,渐强的声音又出现在80年代初期。随着宇宙暴涨模型的提出,理论物理学家期待它所预言的平坦宇宙可以在观测上找到足够强的证据。也就是说,平坦宇宙要求存在和临界密度几乎完全相当的宇宙物质密度,我们需要找到质量预算表上的所有开销。

技术进步带给近代天文学的收益是显著的,实测天文学家很快就量秤出星系和星系团尺度上各种物质成分的密度。包括发光物质和不可视的暗物质在内,观测给出的宇宙的物质密度最多只能达到临界密度的30%,远远不足以支撑一个时空曲率为零的平坦几何。一个自然的想法是,如果允许宇宙学常数存在,如果恰当地选择它的数值,宇宙可以获得平坦宇宙所要求的临界质量密度。

实测天文学家遵循的原则永远是尊重自然,然而自然留给理论物理学家的却是更为广阔的想象空间。对后者来说,对与错不是唯一的标准,美与和谐永远是追求的终极目标,这也是对自然的信念。

一直到上世纪90年代,暴涨宇宙模型仅仅是流传于理论界的传奇,作为一种和基本相互作用统一理论相协调的宇宙演化图像,它在解释视界问题和平性问题上获得了巨大成功。更甚于此,它可以解释磁单极子的缺失,可以解释宇宙尺度上的马赫原理,可以解释宇宙所展现的多层次结构复杂性的起源,它甚至有助于找寻我们生存的世界为什么存在的理由。因此,即使在没有得到观测充分支持的情形下,暴涨模型仍然得到理论物理学家的青睐和钟爱,并在众多的质疑声中得到长足的发展。

二十世纪的最后十年,是宇宙学发生惊人巨变的十年,若干独立的宇宙学实验为暴涨和平坦宇宙模型提供了令人信服的证据。 1992年美国国家宇航局所发射的“宇宙背景探索者”卫星对宇宙微波背景辐射的观测首次揭示了宇宙的整体几何特性,即空间是平坦的。在另一方面,随着光纤和CCD技术在天文观测中的推广普及,传统小天区单一目标的观测模式被大视场多目标的系统观测所替代,这是一场革命性的巨变,其触发点来自美国的斯隆数字巡天计划,它对宇宙大尺度结构的系统观测研究直接导致人类对宇宙结构的形成和演化认识的突破。特别地,它所开展的三维巡天测量再次让我们无法拒绝接受这样的事实:宇宙的物质密度达不到临界密度的30%,这意味着宇宙的主导成分并不来自可视和不可视物质,而是以某种未知的形式存在。

更为惊奇的是,通过对遥远超新星的观测,天文学家发现宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀,传统大爆炸宇宙学中在引力作用下的减速膨胀图景被彻底颠覆,它促使理论物理学家重新检视我们对时空、物质和能量的认识。

究竟是什么样的神秘力量在驱动整个宇宙?首先想到的自然是令人捉摸不定的宇宙学常数—— 一个被囚禁魔瓶中的精灵,它伴随着宇宙加速膨胀的发现而再次逃逸!


2
宇宙深处的标准烛光——Ia型超新星


人类探索宇宙的历程,紧密依赖于对遥远天体的距离测量,特别是历次重大的天文发现,都是来自于距离测量上的突破性进展。天文学家将各种量天尺组合构建了一个距离天梯,通过它人类探索宇宙的步伐也不断地迈向太空的深处。

天文学的距离测量方法可以简单划分成两大类,标准尺和标准烛光。标准尺,顾名思义是一把已知长度Ls的标准尺子。几何上,如果在不同的距离上去观测,它表现出不同的视张角,即视张角θ 和距离d成反比


利用这样的简单几何关系,就可以测量标准尺所处位置的距离。对于标准烛光,则是定义为这样一类已知内禀热光度的天体,其距离可以通过测量该天体在天空的视亮度来获得。实际上,它利用了视亮度f 和距离d的平方反比定律,即


这里L为天体的内禀光度。利用这两类方法测量的距离分别被称为角距离和光度距离。

最早跨出太阳系的距离测量是所谓三角视差方法,天文学家通过测量不同季节恒星在天球的视角差,根据三角学原理计算出恒星的距离。原理上它可以归类到标准尺方法,只是标准尺是放置在本地,其长度为地球到太阳的距离。不过,三角视差法只适合于400光年以内的恒星的距离测量。超过这个尺度,由于视差太小,地面上的传统测量已不再奏效。

对更遥远的天体,天文学家根据恒星演化的赫罗图发展了一种所谓的分光视差法。赫罗图由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素分别于1911年和1913年各自独立提出,它给出了恒星表面温度和光度之间的相关性,同时也是恒星演化轨迹的重要示踪器。我们知道,恒星的表面温度通常用它表观的颜色标示,在天文上也被称为光谱型。因此,借助于赫罗图,我们可以通过测量恒星的光谱确定它的绝对光度,继而由观测所得的视光度计算出它的距离。

另一种和恒星内禀性质相关的方法则是著名的造父变星法。造父变星是勒维特最早发现的一类在径向方向交替进行膨胀和收缩的恒星,其光度随时间发生周期性起伏。它具备一个重要的性质,即它的绝对光度和起伏的脉动周期之间存在确定的关系,称为周光关系。如果我们通过长期的时域监测获得它的光度起伏周期,我们就可以推断出它的绝对光度。和分光视差法的思想类似,通过测量表面亮度我们就可以定出它的距离。源于造父变星法的测量距离可以延伸到百万秒差距之巨,它也被誉为“量天尺”。一个熟知的历史事实是,正是通过造父变星法,哈勃将人类的视野拓展到银河系外,并带给我们宇宙膨胀的壮丽图景。

对于更遥远的宇宙学尺度的距离测量,天文学家则需要寻找更亮的标准烛光或标准尺作为测量参考对象。

超新星是恒星演化走向终结的一次最为壮观的爆发现象,其瞬间爆发产生的亮度可以和整个星系的光度相比。而其中被归类到Ia型的一类超新星,由于其近乎相同的峰值爆发亮度,使它成为观测宇宙学中最富吸引力和应用价值的标准烛光。

在爆发机制上,Ia型超新星被认为是发生在双星系统中的晚期产物,其中一颗恒星在耗尽所有热核燃料后,会逐渐冷却成为以碳氧为其主要成分的白矮星。在其晚期演化中,白矮星会不断从伴星包层中吸积物质。当吸积物质累积使整个白矮星质量达到钱德拉塞卡质量极限时,电子的简并压力已不足以抵抗引力坍缩,并触发剧烈的热核反应。对双星系统而言,这一事件是灾难性的,核燃烧产生的动能释放直接导致双星系统的解体,而随后发生的剧烈爆炸更使其亮度超过我们太阳的数十亿倍。由于Ia型超新星的触发临界点是钱德拉塞卡极限,


这里

为普朗克质量,
是质子的质量,
为太阳质量。显然,这是一个普适的质量,只依赖于基本物理常数。考虑到可以获得的核爆炸物质具有恒定的数量,物理上我们容易理解为什么Ia型超新星具有接近的爆发强度。

测量宇宙早期的膨胀历史,Ia型超新星是最为理想的采集样本。随着大规模信息技术的发展,特别是具有大天区搜寻能力的CCD相机以及高性能超级计算机的应用,Ia型超新星的搜寻和分析在上世纪90年代后期取得具有历史意义的突破。两个独立的遥远Ia超新星搜寻计划的研究团队相继发表了他们的测量结果。意识到他们的结果给学术界所带来的颠覆性的震撼,两个小组在结果公布前反复对所有的分析细节进行了核查,并在确认无误后慎重地向学术界展示了初步分析结果。这是一幅被称为星等-红移关系的图片,它记录了位于不同距离,也就是宇宙早期不同年代所发生的超新星事件的视亮度。

图2 原始Ia型超新星巡天的哈勃图,来自两个独立的超新星巡天计划。上图通过超新星的视星等-红移关系,给出了宇宙加速膨胀的直接证据,下图给出了开放宇宙的视星等残余误差


两个小组一致并被认为经得起考验的结果是,对于位于给定红移的Ia型超新星,它的表观视亮度比传统宇宙学模型预言的要黯淡。这意味着它们比预想的离开地球的距离更为遥远,它背离传统减速膨胀的宇宙模型中所给出的预言。因此,除非我们假定宇宙在加速膨胀,除非我们重新放出宇宙学常数这个精灵,一切才会重归自然的轨道。

对天文和物理而言,这个发现都是一件可以称得上激动人心的大事。它不仅彻底改变了我们对宇宙膨胀历史的理解;究其加速膨胀的产生原因,更使我们必须面对类似宇宙学常数所描述的这样一种反常物质形态,它无疑对基础物理理论提出了严峻挑战。

图3 宇宙加速膨胀的发现成为1998年最激动人心的科学发现

(未完待续)


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