宇宙加速膨胀(最新研究:不骗你,宇宙可能真的在加速膨胀)

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宇宙加速膨胀

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原创文章首发于唧唧堂,作者:唧唧堂研究人王善钦

摘要:

早在1912年-1929 年的十几年间,美国天文学家斯里弗与哈勃及其助手赫马逊就先后发现了宇宙膨胀的强有力证据。然而,宇宙的膨胀是加速的、匀速的、还是减速的,一直难有定论。直到 1998 年,才有两个小组分别独立地给出“宇宙加速膨胀”的证据。导致加速膨胀的神秘力量就是后来广为人知的“暗能量”。2015 年 6 月 3 日,有一个研究小组根据新的统计研究,质疑了“宇宙加速膨胀”的结论,最近发表于《科学报告》杂志,这是一个反转,引起了广泛注意,多个国内公众号翻译了相关新闻。然而,2016 年 10 月 28 日,另一个小组的研究对这个质疑进行了否定,认为之前那个研究有错误,宇宙确实就是在加速膨胀,可谓“反转再反转”,本文简单介绍与研究宇宙膨胀有关的历史、最新的进展与争论。

正文:

(一)宇宙膨胀的发现与宇宙大爆炸理论

许多人都知道,伟大的天文学家哈勃(Hubble)于 1929 年就发现星系(当时还是被叫做“星云”)距离我们越远,退行地越快,具体说,退行速度与距离成正比。

其实,早在哈勃公布结果之前十几年(1912 年,1914年,1915年),同为美国天文学家的斯里弗(Slipher)就公布了他发现的星系退行导致的谱线红移现象。但哈勃探测到更远的星系,且得到明确的规律,所以斯里弗不幸得被大多数大众甚至很多天文学史研究者所忽略。哈勃能够观测到更远得多的星系,除了自身的高超技巧之外,还得益于他的得力助手赫马逊(Humason)。正因为如此,公正地说,发现星系退行(宇宙膨胀)的荣誉实际上属于斯里弗,斯里弗是发现者,哈勃与赫马逊是发展者。

首次发现星系退行(宇宙膨胀)的斯里弗(来源:wiki百科)

给出星系退行与距离关系的哈勃

尽管哈勃终其一生都没有明确表示过这是宇宙膨胀的结果,但其他科学家却认为这是宇宙膨胀的直接结果。既然宇宙在膨胀,反推回去就知道,宇宙曾经很小。所以荷兰的天体物理学家兼神父勒梅特就提出宇宙起源于一个“原子”的假说。

20 世纪 40 年代后期,伽莫夫(Gamow)与合作者阿尔夫(Alpher)、贝特(Bethe)、赫尔曼(Herman)等人正式提出了宇宙大爆炸理论,定量计算了一些重要的结果,比如宇宙中氢原子丰度约为 25%(与观测符合)、残留的微波背景辐射温度约为 5-10 K(1965 年被观测证实,真实值约为 3 K),等等。

在微波背景辐射被观测证实之后,宇宙学迅速成为主流学科。结合现在的精确宇宙学的观测,可以推断出:宇宙源于大约 138 亿年前的一次大爆炸,然后开始膨胀。

(二)宇宙加速膨胀的确认

虽然大家都承认宇宙在膨胀,但宇宙的膨胀是加速的、还是匀速的、还是减速的?这个问题一直难有定论,因为这需要观测很远的距离,才可以得到确切的结论。而问题就出在:当距离很远时,到底该用什么来确定精确的距离?造父变星虽然可以测距,但它们毕竟只是恒星,其亮度达不到这个超远测距的要求。

大约在60年代,天文学家意识到 Ia 型超新星可以作为更远距离的“量天尺”,因为它们最亮时比造父变星亮得多;而且它们大多数源自白矮星爆炸,而白矮星的质量比较固定(不超过 1.4 个太阳),爆炸合成的放射性物质的量也比较固定,所以最亮时的亮度也差不多。当然,有些 Ia 型超新星来自双白矮星并合,这种特别亮的 Ia 型超新星在样本分析时会被作为杂质清除掉。

在80年代末到90年代初,有两个小组分别启动了高红移超新星的观测。

第一个小组是 Perlmutter 领导的“超新星宇宙学项目(the Supernova Cosmology Project,SCP)”,于1989年启动。

另一个小组为 “高红移超新星探测组(High-Z Supernova Search team,HZSST)”,有 3 个主要领袖,分别是 Schmidt 、Riess 与 Filippenko。1994 年,Schmidt 启动了这个项目,在澳大利亚负责东半球夜晚的观测,而 Riess 等人在美国负责西半球夜晚的观测。

这里先简单介绍一下这两个小组的 4 位大佬。(1)、Perlmutter 于 1959 年出生于生于美国伊利诺伊州厄本那市,1981 年毕业于哈佛大学,1986 年在加州大学伯克利分校获得博士学位;(2)、Schmidt 于 1967 年生于美国蒙大拿州密苏拉市,1989 年毕业于亚利桑那大学,1993 年在哈佛大学获得博士学位,后来到澳大利亚国立大学工作;(3)、Riess 于 1969 年底生于华盛顿,1992 年毕业于麻省理工学院,1996 年在哈佛大学获博士学位,导师是著名的超新星专家 Kirshner,博士毕业后,到加州大学伯克利分校当博士后,导师是著名的超新星专家 Filippenko;(4)、Filippenko 于 1958 年出生于美国加利福尼亚州奥克兰市,1979 年在加州大学圣芭芭拉分校毕业,获得学士学位,1984年获得加州理工学院博士学位,此后两年为加州大学伯克利分校的 Miller Fellow(根据他的简历,我推测这两年他是享有 Miller Fellow 的博士后),然后在加州大学伯克利分校工作至今,他不仅是超新星领域的世界领袖之一,同时是著名的科普作者(卡尔萨根科普奖得主)与教师(多次被学生评为“伯克利最佳教授”)。

这两个小组的观测需要克服两方面的困难。第一个困难是:虽然Ia型超新星最亮时的亮度比较一致,但依然有一些差异;第二个困难是要观测尽可能远的超新星,以获得尽可能可靠的结果。

对于第一个困难,有人发现:越亮的 Ia 型超新星,其光变曲线越宽(Philips 关系),因此可以定义一个标准的亮度与宽度,等比例缩小或放大亮度与宽度,使其宽度与标准宽度相同,则其亮度也就与标准亮度差不多相同。这样得到的光变曲线就惊人地相似,可以作为标准烛光。

下图就是将超新星校正为标准烛光的这个方法的图。其中,上图表示实际上观测到的 Ia 型超新星的峰值亮度,它们依然存在较大的差异;下图表示将延展因子(stretch-factor) s 都调整到 1,对应的峰值亮度就高度集中,再经过去红化的程序,得到的差异很小,可以作为标准烛光。这只是修正的方法之一,真正的修正方法有很多种。上面说的两个小组的天文学家的任务就是观测尽量多高质量的 Ia 型超新星,然后修正为标准烛光,测定对应的距离。

图取自:Perlmutter 等人(astro-ph/9812473)

第二个困难可以可以用强大的哈勃太空望远镜的观测来克服。Riess 在小组中的的主要工作就是用哈勃太空望远镜观测那些非常远的 Ia 型超新星,这些超新星是 100 多亿年前爆发之后经历 100 多亿年才将光传播到地球上,只有极为强大的光学望远镜才可以观测到它们。说句题外话:当年设计哈勃太空望远镜的科学家们根本不会料到后来人们居然用它寻找远距离 Ia 型超新星并研究宇宙膨胀的速度变化。

1998年,这两个小组分别在网上公布了各自的结果。其中 Riess、Filippenko、Schmidt 等人的小组的结果在 1998 年发表于美国天文学会的《天文学杂志》(AJ),而 Perlmutter 等人的小组的结果于 1999 年发表于美国天文学会的《天体物理学杂志》(ApJ)。

这两个小组的研究都表明:那些作为标准烛光的超新星比起假定宇宙匀速膨胀的情形下要暗,因此也就更远,大概远 10%-15%,这意味着宇宙不是匀速膨胀,而是在加速膨胀。

顺便说三点:1、Riess、Filippenko 在论文发表时在加州大学伯克利分校天文系,Schmidt 在澳大利亚国立大学, Perlmutter 当时在劳伦斯伯克利国家实验室(由加州大学伯克利分校托管)与加州大学伯克利分校粒子天体物理中心;2、这两个小组是竞争关系,但 Filippenko 却在两个小组中都署名,同时属于两个小组,这是唯一的一个;3、1999 年,Riess 到位于约翰·霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所(the Space Telescope Science Institute),一直到现在,而 Schmidt、Filippenko 与 Perlmutter 则一直到现在都还在原来的单位。

导致宇宙加速膨胀的力量是什么?此后的科学家们称这个神秘的力量为“暗能量”。暗能量的发现引发了物理学与天文学的一场革命,是一个具有基础性作用的重大突破,当年就被 Science(《科学》)杂志评为年度突破性进展(Breakthrough of the Year)。

2006 年,Riess、Schmidt 与 Perlmutter 被授予邵逸夫奖(Shaw Prize),这个奖项被称为“东方诺贝尔奖”,获奖者都是世界上非常杰出的科学家。

2007 年,这个项目获得宇宙学最高奖――格鲁伯宇宙学奖(Gruber Prize in Cosmology)。

2011年10月4日,Riess、Schmidt 与 Perlmutter 获得了诺贝尔物理学奖:第一个小组的 Riess 与 Schmidt 一起分享了一半奖金(因此也就是各自四分之一);第二个小组的 Perlmutter 分享了另外一半奖金(因此是二分之一)。遗憾的是,Filippenko 与诺贝尔奖擦肩而过了,这个悲剧在邵逸夫奖颁发时就埋下了根。

2011年诺贝尔物理学奖得主(来源:诺贝尔奖官网)

与诺贝尔奖失之交臂的 Filippenko(来源:wiki百科词条)

现在宇宙学的观测表明,宇宙中物质仅占 5%,暗物质占 27%,而暗能量占 68%。暗能量与物质、暗物质的一个非常大的差异就是:它起排斥作用而且平均密度不变,相比之下,物质与暗物质是起吸引作用而且随着宇宙的膨胀,平均密度降低。

根据当前宇宙学的标准图景,早期的宇宙,物质与暗物质占据优势,暗能量处于弱势,宇宙的膨胀是减速的;随着宇宙膨胀,物质与暗物质的平均密度降低,但暗能量密度不变,到宇宙年龄大约为 50 亿时,暗能量开始占据优势,宇宙开始加速膨胀,然后加速越来越猛烈。今后宇宙将如同脱缰的野马,无法拉回,而是走向大撕裂。

(三)Ia 型超新星样本的扩大:JLA

在1998年公布的那个重要工作之后,搜寻 Ia 型超新星的热度保持不减,可以说是方兴未艾。当前搜集的Ia型超新星的数据,由近到远分别为:临近超新星巡天(Nearby)、斯隆数字巡天(SDSS)、超新星遗产巡天(SNLS)与哈勃太空望远镜(HST)。

分析需要将这四个不同距离的样本结合为一个样本。这个方法就是“联合光变曲线分析”(Joint Light-curve Analysis ),英文缩写为 JLA。JLA 包含了最新、最大的 Ia 型超新星样本(当前的样本包含了全世界的观测组发现的 Ia 型超新星总数的大约 60%)。如下图就结合了四个远近范围不同的样本,其中横坐标代表红移大小(红移越大,距离越大),纵轴代表延伸因子。

来自Rubin与Hayden的论文(2016.10.28)

(四)Nielsen、Guffanti 与 Sarkar 等人的论文:质疑加速膨胀

宇宙加速膨胀以及暗能量的存在性的结论在此后又被其他方法所验证,比如重子声波振荡(BAO)等等。所以这个结论基本上被视为明确无误的结论。

但是,2015 年 6 月 3 日,丹麦尼尔斯玻尔国际科学院的 Nielsen、意大利都灵大学的 Guffanti 与英国牛津大学的 Sarkar 在 arxiv 网上公布了新的统计研究,质疑了“宇宙加速膨胀”的结论,论文最近发表于《科学报告》杂志(Scientific Reports)。文章最新版本的预印本链接为:https://arxiv.org/abs/1506.01354。文章的通讯作者是牛津大学的 Sarkar。这篇文章在去年就已经公布,但直到最近出版了才与媒体联系宣传,这是因为:同行审议的论文,一般要等到被接受发表或者正式发表之后再宣传,才更严肃一些。

不过有意思的是,几乎所有相关报道都提到,《科学报告》杂志是《自然》出版集团旗下的杂志(这是因为新闻的源头就已指出,此后的其他类似转载、翻译与介绍都继承了这个表述)。听上去挺唬人的。不过实际情况是:这个杂志虽然和《自然》及其子刊都属于《自然》出版集团,但却与《自然》及其子刊差得远了。它的影响因子为 5.228,《自然》在 20 以上。作为比较,《天体物理学杂志》的影响因子为 5.993。有些人投《自然》或者《自然》子刊,编辑部拒绝的时候会建议转投《自然》出版集团旗下的《科学报告》。所以别被吓唬到。

这么分析,不是为了贬低《科学报告》这个杂志与这篇论文(因为好的论文就算发在影响因子相对低的杂志,也依然是好的论文,甚至是可以得到诺贝尔奖的论文,比如《天体物理学杂志》上的论文就有好几篇得了诺奖),而是为了破除迷信与误解,以平常心看待这个杂志,不要因为觉得这个杂志很权威而在主观上偏向相信这篇文章的结论。

说了这么多,现在简单说说这篇论文到底说了啥。这篇文章分析了 JLA 提供的样本里的 740 颗 Ia 型超新星,样本更大(作为对比,1998 年宣布宇宙加速膨胀的两个小组,用到的样本都只含有几十个 Ia 型超新星)。这里省去技术性的讨论。根据分析,作者们认为,根据更大的样本的分析,宇宙加速膨胀的置信度不足 3 sigma,而科学发现的置信度要达到 5 sigma,所以加速膨胀的证据不足,宇宙可能是匀速膨胀的。

这个结论是一个反转,因此引起了一些注意。我一开始就怀疑这篇文章的结论。然而我不是搞观测与分析的,也只能是怀疑怀疑而已。

但必须说明的是,Sarkar 在新闻采访中,以粒子物理中的标准作为基准,认为 3 sigma 不足为信,必须要 5 sigma。然而天体物理与粒子物理用的不是一个标准。粒子物理中,要判断一个新的粒子,需要 5 sigma的置信度,是因为对撞机产生了巨大数量的粒子,绝大多数为一经发现的粒子,这些粒子与可能的新粒子都会迅速衰变,探测器探测到的都是衰变多次之后的产物,因此数据分析必须进行“事件重构”来判断出最初被撞击出来的粒子,这个过程非常复杂而且噪声非常大,所以要 5 sigma。而天体物理中,判断是非或者发现新的现象,远没有粒子物理中那么复杂,因此不适宜套粒子物理的标准。

当然,当年 Riess 小组确认暗能量存在的置信度达到了 7 sigma,Perlmutter 小组的结果的置信度差不多。

(五)Rubin 与 Hayden 的论文:支持加速膨胀

2016 年 10 月 28 日,佛罗里达州立大学物理系、劳伦斯伯克利国家实验室的 Rubin 与劳伦斯伯克利国家实验室的 Hayden 在 arxiv 网上发布最新论文(文章链接为:https://arxiv.org/abs/1610.08972),对上述三个作者的论文进行了否定。

Rubin 与 Hayden 的论文标题是 Is the expansion of the universe accelerating? All signs point to yes (《宇宙膨胀正在加速吗?所有的信号都指向了:是》)。这篇文章投稿到《自然》,能不能发表于这个杂志,还要继续观望。

这篇文章用同样的样本(JLA 样本)进行分析,得到宇宙加速膨胀的置信度是 4.2 sigma。他们认为,之前的质疑加速膨胀的论文的分析中存在错误。

这篇文章的作者认为之前论文的作者的这个错误降低了置信度,而他们的分析则大大提高了置信度,因此宇宙加速膨胀的结论是可靠的。

(六)结论

本文的结论就是:最近的两个小组谁对谁错,还需要看更多分析。现在,我们只需要冷静等待结果即可。由于还没有定论,所以,宇宙依然可能是加速膨胀的。而且其他证据(如重子声波振荡)都支持暗能量的存在,所以宇宙加速膨胀的概率依然很大。

(本文对于较早的历史人物采用“首次出现用 中文译名+英文名,此后用中文名”的标记方法,对现在还活着的人直接用英文名,当然,其实是姓)

唧唧堂研究人简介:王善钦

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