诺贝尔物理学奖：宇宙的膨胀速度

诺贝尔物理学奖：宇宙的膨胀速度
2021诺贝尔物理学奖授予了三位杰出的天体物理学家：索尔·珀尔马特(SaulPerlmutter)、布莱恩·施密特(BrianP.Schmidt)和亚当·黎斯(Ada mG.Riess)。

他们对超新星进行了系统的观测，发觉宇宙正在加速膨胀。

这一发觉意义深远，多年来他们一直是获奖的热门人选。

这是宇宙学领域第三个诺贝尔物理学奖。

1929年，美国天文学家哈勃利用当时世界上最大的望远镜——加利福尼亚威尔逊山望远镜，第一发觉了星体间距离在不断变大，由此提出了宇宙膨胀理论。

依照这一发觉，俄罗斯天体物理学家伽莫夫提出了大爆炸理论，认为宇宙产生于约140亿年前，宇宙从一个极小体积、极高密度的点猛烈地向外膨胀，像发生了一次超级大爆炸。

大爆炸理论此后被专门多不同类型的天文观测所证实。

只是，多年来，物理学界一直认为宇宙膨胀的速度是恒定的，或者是越来越慢的；直到这三位物理学家开始了对超新星的观测。

超新星现象
1934年，天才天文学家茨维基等人提出超新星的概念，他们猜想，当大质量的恒星演化到其生命的晚期时，内部的核燃料消耗殆尽，恒星从中心开始冷却，没有足够的力量与引力对抗，整个星体向中心坍缩，坍缩时表层被迅速加热，发生剧烈的爆炸，这确实是超新星现象。

在中国历史上，超新星爆发通常预示着兵祸和天灾，或者皇帝驾崩，是历朝皇帝极为重视的稀有专门天象。

从汉朝以来的2021多年里，最壮观的超新星爆发只有六七次。

北宋景德年间，公元1006年5月1日凌晨，南方天空中豺狼座位置上突然显现一颗专门亮的恒星，亮度接近半个月亮，在它的光照下无月的夜间也能够看清东西。

其后三个月夜夜可见，三个月后变暗。

这是人类有文字记录以来最亮的超新星爆发，天文学上称这次超新星为SN1006，它离地球大约7200光年远。

由于超新星专门亮，在极远的地点都能看到，因此可用来研究宇宙学。

对宇宙学最有用的超新星是Ia型超新星，由于物理上的缘故，这类超新星在爆发时的质量相同，因此它们的绝对亮度总是固定的，大约为太阳亮度
的50亿倍。

超新星离地球越远，它的视觉亮度就越低，依照这一关系，能够把Ia型超新星当作“标准烛光”来使用：依照观测到的超新星的视觉亮度，能够反推它到我们的距离。

随着宇宙的膨胀，星体发出的光的波长会变长，在物理学上这叫做红移。

红移的大小与星体的距离大致成正比，这确实是闻名的哈勃定律，宇宙学这一学科确实是从哈勃的天文观测开始进展起来的。

如何观测超新星？
此次获奖的三位天体物理学家所做的工作是哈勃最早的观测的精确化。

他们用最先进的天文观测工具观测了约60颗Ia型超新星，在地球上测量超新星的亮度和光线的红移，绘制出距离-红移关系图(俗称哈勃图)，由这些哈勃图能够算出专门多宇宙学参数，比如宇宙的年龄、膨胀情形等。

有了哈勃图，人们终于能回答自古以来一直在追问的问题：宇宙是什么样的？它是如何形成的？它将如何演化下去？
虽说这一观测从原理上专门简单，但实际操作起来并不容易。

一个要紧缘故是大多数超新星离地球太远，极为柔弱，专门难辨论。

为发觉超新星，一样要用数码摄像头对天空进行两次拍照，比较不同时刻某一天区的照片，用前一时刻的照片减去后一时刻的照片，从两者的区别中发觉可能变亮的待选目标。

第一张照片在新月之后拍照，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光埋住之前拍照。

值得注意的是，这些待选目标中有的可能并非超新星，而是其他天体，比如偶然运动到这一区域的太阳系小行星。

排除这些干扰之后，再用大型光学望远镜对这些目标进行细致的观测，所有测量需要在超新星变暗之前迅速完成。

这是一项艰巨的任务。

尽管从上世纪八十年代起就有多个小组在进行这类观测，但未能获得专门多有效结果，这可能与望远镜观测时刻分配有关。

大型天文望远镜的观测时刻通常要申请，一样来说，大型天文望远镜的观测时刻分配表早在半年或一年前就差不多定下来。

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。

但宇宙实在太过庞大，一个典型的星系平均每1000年才会显现一到两颗超新星
爆发。

由于没有方法推测超新星爆发的准确位置，并预先申请观测时刻；因此通常科学家只能在发觉超新星后，临时借用别人的观测时刻进行后续观测，这使得其专门难进行有效观测。

诺奖得主：宇宙正在加速膨胀
此次获奖的三位天体学家来自两个观测小组。

其中一组是“超新星宇宙学项目”，于1988年启动，通过一段时刻后由于成效柔弱，项目几乎被停掉。

危难时刻，索尔·珀尔马特领导起了超新星观测任务。

通过一番努力，这一项目得以连续下去。

为了观测超新星，珀尔马特广泛联络全世界各大天文台的望远镜，恳请正在使用望远镜的人帮他进行观测。

他还进展出一套迅速找到大量超新星候选者的方法，能够一次迅速找到多颗候选超新星，从而能够申请到更多观测时刻。

另一个小组是“高红移超信息研究组”，于1994年启动，领导者是布莱恩·施密特，亚当·里斯在其中起到了至关重要的作用。

尽管他们起步较晚，然而进展迅速。

专门快，两个小组就展开了猛烈的竞争。

2021年1月，两个小组几乎同时公布了其观测结果，其中珀尔马特小组发觉了42颗超新星，施密特小组发觉了16颗超新星。

他们的结果都说明，宇宙正在加速膨胀，这一结果轰动了物理界。

为说明宇宙的加速膨胀，物理学家们提出了许多方案，其中最主流的是暗能量理论。

暗能量是一种假想的物质，一般物质产生的压强为正，暗能量的压强为负；一般物质产生万有引力，而暗能量则产生斥力；一般物质让时空减速膨胀，而暗能量则让时空加速膨胀。

尽管有众多证据显示了暗能量的存在，然而物理学家一直不明白暗能量的本质是什么。

进一步的天文观测说明，今天宇宙中大约74%的物质是暗能量，22%的物质是不可见的暗物质，而我们所熟悉的一般物质只有4%左右。

在宇宙的整个历史中，物质的引力越来越弱，暗能量所起的作用越来越强。

到五六十亿年前，暗能量开始发挥作用；在此之前，宇宙是减速膨胀的；在此之后，宇宙是加速膨胀的。