老夫不请自来也 / 宇宙天文 / 宇宙膨胀背后的故事(29):宇宙的膨胀在...

0 0

   

宇宙膨胀背后的故事(29):宇宙的膨胀在加速

2020-03-18  老夫不请...

1990年代是天文学又一个激动人心的年代。这年4月24日,“发现”Discovery)航天飞机升空,在卫星轨道上装置了人类第一台遨游太空的天文望远镜——哈勃太空望远镜Hubble Space Telescope)。

在地球上,望远镜都会受到大气层的影响。大气层不仅吸收了大量的星光(尤其是微波、红外、紫外等波段的电磁波),而且即便是微弱的气流搅动也会造成相片的模糊失焦。在现代化的镜片制作、电子成像工艺精益求精之后,天文望远镜的精度已经达到极限,大气层成为天文观测的最大障碍。

早在1920年代火箭技术刚起步时,就有人提出用运载火箭将天文望远镜送上太空,以彻底摆脱大气层。1946年,年仅32岁的美国人斯皮策(Lyman Spitzer)发表论文,系统地阐述了太空望远镜的设计。一年后,他接替导师罗素担任普林斯顿天文台台长(他也是著名的普林斯顿受控热核聚变实验室的创始人)。其后几十年,他一直在美国航天局领衔推动这个梦想的实现。

与哈勃早年的经历相似,哈勃望远镜的问世也颇有波折。1986年“挑战者”号失事迫使航天飞机整体停飞两年多,哈勃望远镜不得不冷藏仓库四年。后来当它被送入轨道后,又发现镜片制作不当,拍摄的照片散光、模糊,达不到设计要求。1993年,“奋进”(Endeavour)号航天飞机再度造访哈勃,宇航员经过一番复杂的太空操作为它添加了一副矫正镜片。戴上眼镜之后的哈勃望远镜终于大放光彩,不仅在科学发现上屡建奇功,而且连年拍摄出大量丰富多彩的天文照片。今天,人们所提的 “哈勃”,一般都是指天外的哈勃望远镜,而不再是近100年前威尔逊山上的那位少校哈勃

在太空轨道上傲视天穹的哈勃天文望远镜

1996年,普林斯顿举办建校250周年纪念活动,其中包括邀请天文学家济济一堂。特纳、皮布尔斯等新生代“无赖宇宙学家”接连发言,企图复活普林斯顿老前辈爱因斯坦当年那无中生有的宇宙常数。他们从理论上论证,宇宙中存在的物质、暗物质不足以解释宇宙的平坦,这需要宇宙常数帮忙——解释。

科什纳主持了特纳与其他理论家的一场辩论。之后,他问珀尔马特有何看法。珀尔马特没有纠缠理论,表示他可以谈谈他们测量遥远超新星的结果。

当年哈勃发表的星系速度与距离关系图,显示星系远离我们而去的速度与它们的距离的数据点构成一条直线,即成正比,正比关系即“哈勃定律”。那条直线的斜率便是“哈勃常数”——宇宙年龄的倒数。

哈勃那时数据有限,误差相当大,他那张图上的数据点发散,拟合成直线颇为勉强。比如温伯格后来评论说,哈勃发现的正比关系其实是出自他本人的主观愿望。好在之后几十年,桑德奇等一整代天文学家以越来越多的数据证实了哈勃定律:从1920年代哈勃、胡马森力所能及的几百万光年距离到1990年代珀尔马特追求的几亿光年外超新星,哈勃图上的直线不断地延伸,经受了历史的考验。

珀尔马特在会上拿出的他们最初七颗超新星也都处在那条(再度伸长后的)直线上。皮布尔斯当即表示:如果这些数据成立,他们刚刚还在在鼓吹的宇宙常数理论就完结了。

哈勃定律的正比关系可以用一个膨胀中的气球来描述:在一个均匀膨胀中的气球表面,任何两点拉开的速度与它们之间的距离成正比。不过,宇宙还有一个气球式的日常经验不具备的因素:时间。

因为光速有限,我们抬头看到的太阳其实只是八分钟以前的太阳。同样,几亿光年之外超新星的亮光、红移给我们带来的并不是它们今天正在离开我们的速度,而是几亿年前它们所在之处的膨胀速度。当然,如果宇宙膨胀的速度像阳光一样恒定不变,这个时间差即使巨大也没有影响。

假如宇宙在大爆炸之后只是惯性地膨胀,其速度会保持恒定。如果宇宙中有足够的质量、暗质量以其引力拉后腿,宇宙的膨胀便可能减慢,甚至在将来某个时刻逆转为坍缩。而若像特纳、皮布尔斯等人所主张的宇宙中还有一个宇宙常数项在起着与引力相反的作用,那么宇宙的膨胀也可能会加速。

到底是哪种情形,我们可以比较遥远超新星所报告的远古时的速度与今天的数值。在哈勃图上,这表现在远方的数据点是否继续符合那条代表恒速的直线。如果宇宙的膨胀速度不恒定,那里的数据点会一致性地偏离直线。它们往哪一边偏离便告诉我们宇宙膨胀是在减慢还是在加快。

珀尔马特的七颗超新星基本上都在哈勃图的直线上,但若仔细计较,它们还稍微偏向宇宙膨胀减慢的一侧。珀尔马特认为,据此很难想象一个因为宇宙常数作用而在加速膨胀的宇宙。不过,他同时也指出,这些数据的误差太大,不足以下确切的结论。但无论宇宙膨胀是在减慢还是加快,其变化都会微乎其微。科什纳对珀尔马特的结果信心不大,没有就此发表意见,也拿不出自己的数据来。

哈勃望远镜并不特别巨大,它的口径2.5米,与哈勃当年使用的胡克望远镜同样大小。由于不受大气层屏蔽或干扰,也没有地球上光源的污染,哈勃望远镜拍摄的照片是地球上几倍口径大的望远镜也瞠乎其后。要更精确地测量遥远的超新星,哈勃望远镜似乎是不二之选。

至1990年代,天文望远镜已不再要求天文学家整夜整夜地将自己关在小笼子里,强忍寒冷、尿急、孤单,手工操作保持目标的锁定。计算机控制的自动跟踪系统接替了这一重任,天文学家可以在办公室甚至自己家里通过互联网远程遥控望远镜。远在天外的哈勃望远镜当然只能通过远程操作进行观测。

但哈勃望远镜不是静止的,而是“悬浮”在太空,并以每90分钟绕地球一圈的高速在运行着。要使它锁定目标的操作异常复杂,必须时刻注意瞬息万变的方位,避免被邻近的地球、月亮挡住视线,更要躲过太阳光的直射。因此,使用哈勃望远镜的天文学家需要在至少一个月前将观测计划提交给控制中心,由他们仔细审查、确认万无一失才能通过,并编写成计算机程序。地面控制中心每星期上传一次指令,给哈勃望远镜布置下一个星期的运作,非不得已绝不会临时更动。可是,这意味着随机出现的超新星不可能在哈勃望远镜的计划之中。

珀尔马特却很有信心。他们已经完善了寻找超新星的“流水线”方式,不仅“随要随有”,还能“指哪打哪”。他们可以事先设定好哈勃望远镜便于观测的天域,然后在一个月前后分别进行两次观测,其中肯定会有超新星出现。

他们申请哈勃又一次撞到科什纳的枪口上。作为决定哈勃望远镜时间分配的权威之一,科什纳出言阻扰。他指出哈勃望远镜的使命是进行地面望远镜无法胜任的天文观测,没必要为超新星浪费、冒险。不过,主持时间分配的负责人非常欣赏珀尔马特的创新精神。负责人几经斡旋,达成了一个折中方案:同时给伯克利和哈佛的团队提供时间,一碗水端平。如此一来,科什纳也就不再反对动用哈勃望远镜观测超新星了,只是两个团队之间的积怨又加深了一层。在之后的学术会议上,几乎很难再看到科什纳与珀尔马特同时出现。

珀尔马特公布最初结果的那年,里斯还是哈佛的研究生,正在分析他们当时仅有的第一颗超新星数据。一天,导师科什纳领着来访的特纳和古斯走进他的办公室,鼓励他汇报一下最新进展。面对突然出现的三位学术名人,里斯惴惴不安。他的结果显然不靠谱:在哈勃图上,他的超新星不在那条直线上,也不在它应该在的一侧,而是落到了另一边。然而特纳乐了,因为这个与珀尔马特相反的结果正是他所希望看到的,尽管研究生解释说这只是他们第一次尝试,可能有错或误差太大,不可靠。

伯克利那最初七颗超新星的论文于1997年7月正式发表。同时,他们使用哈勃望远镜也获得了预期的成功——从两颗新的超新星上获取了更高精度、更可靠得多的数据。但不妙的是,这两颗星与前面七颗星的表现不一致,在哈勃图上跑到了直线的另外一侧。经仔细核查,发现有一颗(原来的七颗中也有一颗)其实不是Ia型,应该去除。但是,剩下的那颗新的还是顽固地在与原来的六颗唱反调。

这意味着他们面临一个窘境:虽然这颗新的超新星只是孤证,但它却是哈勃望远镜测量的结果,比原来的几颗的误差小得多。那么,是否为它推翻已经发表了的另外六颗星的结论呢?

他们在10月初发表了这个尴尬的结果,因为他们不能落到对手的后面,更何况用哈勃望远镜测量超新星本身就是一个重大突破。果然,哈佛的搜索队几乎同时也发表了论文。两篇论文都强调了哈勃望远镜的技术优势,反而对超新星的具体结果淡然处之,未下结论。

里斯毕业后来到伯克利的粒子天文学中心做博士后,继续他的数据处理。他已经把计算过程反复修改、更新了无数遍,但他的超新星还是固执地处在哈勃图上不应该的那一侧。

哈佛搜索队十分松散,人员遍布世界各地的天文台。施密特结婚后随妻子搬到了澳大利亚,经常往智利的天文台奔波。团队的联系全靠日益成熟的电子邮件,辅之以时区混杂的越洋电话。里斯和施密特保持着密切的邮件、电话联系,每次完成一项计算都要交给对方进行独立核查。作为警示,他们在那一系列电邮中分别以“弗莱希曼”、“庞斯”署名——因为几年前,美国化学家弗莱希曼(Martin Fleischmann)和庞斯(Stanley Pons)大张旗鼓地宣布他们用简单的设备实现了室温下的核聚变(cold fusion),造成巨大轰动,但这个“历史性突破”很快被证明不可重复,成为科学界的一桩丑闻。

施密特每次看到里斯的邮件都忧心忡忡,因为他知道里斯聪明绝顶,但他还年轻、不够细致,才会一次次得出意外的结论。不仅是那第一颗,他们随后测量的几颗超新星的确都在哈勃图的“错误”一侧。同时,他们也得到珀尔马特那边的结论也在发生变化的消息。

里斯知道在超新星的数量上他们不可能赶上对手伯克利,但他相信自己的计算方法略高一筹,可以在质量上取胜。1997年年底的圣诞节,他在空无一人的办公室里起草论文。1月4日,里斯将草稿寄给施密特审阅。8日,施密特回信道:“你好,宇宙常数!”。

施密特和里斯终于都有了强劲的自信:他们的这个结论有99.7%的可能性是正确的。宇宙的膨胀速度既不恒定,也没有因为引力减慢,而是在加速——因为他们测量的超新星都坐落在哈勃图中加速膨胀的那一侧,这只能用特纳、皮布尔斯等人复活的宇宙常数来解释。

里斯把起草好的论文转寄给全体成员征求意见,支持和反对的几乎参半。最直截了当的意见来自他们的导师科什纳。他在邮件中写道:你们内心里知道这是错的,但你们的脑子在告诉你们要发表……。

科什纳对珀尔马特不得不更正才发表的结果毫不惊讶,他从来没有信任过伯克利那群物理出身而混迹天文的年轻人。他也清楚自己的门徒里斯和施密特为了避免重蹈弗莱希曼和庞斯的覆辙已经竭尽全力,但他的内心还是不能够接受他们的结论。事实上,仅仅几年前,他为这个项目提交的资金申请书的副标题便是“利用Ia超新星……测量宇宙膨胀的减速”。

十来年前,科什纳在研究1987A超新星的来源时曾经犯过一个错,不得不事后纠正已发表的结果。他不愿意重复这样的经历,尤其是在宇宙常数这么一个举足轻重的历史性概念上。珀尔马特刚刚因为一颗超新星否定了前面六颗的结果,而他们手上才刚刚有四颗超新星,如果仓促发表了很快又要更正该如何是好?

施密特向里斯发出“你好,宇宙常数”电邮的那一天,珀尔马特正在美国天文学会的年会上作报告。他向在场的记者介绍,他们已经有了40多颗遥远超新星的数据。他骄傲地宣布,今后,如果你要知道宇宙的归宿,你会去咨询实验天文学家而不是哲学家。他知道,重要的不是宇宙的归宿本身,而在于人类能够通过科学的手段认识宇宙的归宿。

珀尔马特相继做了多场学术报告,他展示的数据与里斯看到的相同:后继的超新星都跑到了哈勃图上的另一侧。由于事关重大,他始终没能直截了当地揭开宇宙膨胀在加速这个惊天秘密。在那次年会上,伯克利和哈佛两个团队都只是提出宇宙的结局不会是坍缩,而是永远地膨胀下去。

2月22日,珀尔马特与曾经是他的队友、后来“叛变”到哈佛团队的菲利彭科(Alex Filippenko)同台演讲。珀尔马特首先报告,他还是只提到他们的数据中可能有宇宙常数存在的证据。而菲利彭科在展示数据之后,他不再含糊其辞,直接表明对遥远超新星的测量结果意味着宇宙的膨胀在加速。

基于超新星测量的新哈勃图,远距离上的数据点明显偏离直线。图中的几条线是根据不同参数取值的理论预测

宇宙膨胀在加速虽然不及室温核聚变事件时的疯狂,却也是一个震惊科学界的重大发现,立刻引起了媒体的轰动。里斯、施密特、科什纳等一时都成为当地电视台追逐的明星。

那时伯克利团队已经有了42颗超新星的数据,哈佛搜索队只有16颗。但哈佛数据中的误差只有伯克利的一半,因此具备更多的自信。用里斯的话说,他们这几只乌龟终于超越了珀尔马特那只兔子。伯克利的人很不服气,对《纽约时报》记者抱怨哈佛那几个人只是验证了他们的结果,却在公关游戏上赢得了先机。科什纳也在《纽约时报》采访中表达了由衷的感概:你知道世界上最强大的力是啥?不是引力,而是嫉妒。

伯克利和哈佛的这两支队伍从一开始就处于互不相容、近乎你死我活的争斗之中。有意思的是,他们互相隔绝、几乎完全不合作的运作方式却带来意外的收获。

施密特明白,除了极少数“无赖天文学家”之外,宇宙膨胀速度恒定一直是天文学界的共识,引力作用只可能引起微不足道的减速,没有人认同宇宙常数的存在,宇宙膨胀会加速。

与发现宇宙膨胀所依据的造父变星不同,超新星是一次性事件,其测量结果无法重复核对,因而更难取信于人。

但是,伯克利和哈佛这两个团队各自独立地寻找到不同的超新星,使用完全不同的测量和数据处理手段,互相之间从来没有因为交流而“作弊”过。他们却殊途同归,得出了同样的、事先都没有预料过的结论,这不能不令人信服。珀尔马特如是说,两个团队的结果是暴力的和睦“in violent agreement”)。

      在那之后的十来年里,他们曾经为究竟是谁最早做出这一发现、谁最先公开发表结果等打了无数的笔墨官司。直到2011年,已经不再那么年轻的珀尔马特和施密特、里斯因为这项历史性贡献分享了诺贝尔奖。

F1.medium.gif

2011年,珀尔马特(左)、施密特(中)和里斯(右)领取诺奖

来源:程鹗 的博客

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多