观测遥远的超新星 发现宇宙膨胀正在加速

※奇闻提要:   2011年10月，瑞典皇家科学院决定将今年的诺贝尔物理奖授予保穆特，以及他的竞争对手布里安·施密特(Brian P. Schmidt)和亚当·里斯(Adam G. Riess)。他们的获奖工作是“通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀”。

    宇宙学家们早就知道索尔·保穆特(Saul Perlmutter)要获诺贝尔奖，至于是哪一年的10月，只是个时间问题。在他做出那项重要发现10周年之际的2008年，《科学美国人》杂志曾问他是否每到十月份就会激动起来，他回答说“人们可以把一辈子的时间都用来期待诺奖，这不是一个很健康的心理状态。”

    事实证明，保穆特并不需要期待一辈子，他的诺贝尔奖来得还算比较快。2011年10月，瑞典皇家科学院决定将今年的诺贝尔物理奖授予保穆特，以及他的竞争对手布里安·施密特(Brian P. Schmidt)和亚当·里斯(Adam G. Riess)。他们的获奖工作是“通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀”。

    1998年，保穆特的团队和施密特的团队分别独立宣称发现宇宙加速膨胀。据同行讲，他们之间的竞争“很激烈”，为究竟是谁率先做出了这项发现而争执不下。2008年，在一次暗物质研究的国际会议上，先是保穆特团队的一位老先生上台说，保穆特早就在自己大学的讲座里提到了这项发现。而施密特团队的人则上台反驳，称保穆特那番讲座只不过是举了一个例子，并不是在说明实际的观测结果。甚至，阵营之中还有人在自己撰写的科普书中暗暗嘲讽对方。

    “现在获得了诺贝尔奖，他们的争执大概也就了结了。”中科院国家天文台暗能量组首席科学家陈学雷对南方周末记者说。

     从“不靠谱”的研究出发

    索尔·保穆特，1959年出生于美国伊利诺伊州，天体物理学家。他一开始所从事的研究在许多天文学家看来都相当“不靠谱”。那是在1990年代，保穆特所在的劳伦斯伯克利实验室(LBL)从美国一名军工科学家那里获得启发，研制了一套自动搜寻天体的系统。实验室当时想用这套系统来寻找所谓的 “复仇之星”(Nemesis)，也就是在一些人的假想之中，那颗太阳的伴星，它造成了地球历史上的生物大灭绝。

     实际上，劳伦斯伯克利实验室从建立之初就散发出特异的气息，因为它的创始人是路易斯·阿尔瓦雷茨(Luis Alvarez)。用保穆特的话来讲，此人的风格就是“寻找有趣的科学——不管它在哪，然后找到工具去研究它们”。美国在广岛投下原子弹时，阿尔瓦雷茨是在轰炸机上测量爆炸效果的科学家。他曾钻到金字塔内部，记录宇宙线打穿金字塔之后的状况，以期揭示金字塔的内部结构。他提出了恐龙灭绝是由小行星撞击导致的。他还因为发明高能物理实验中用到的气泡室而获得了1968年的诺贝尔奖。

     就是在阿尔瓦雷茨建立的这种由着兴趣来的研究风气中，劳伦斯伯克利实验室开始寻找那颗“复仇之星”。他们理所地没有找到“复仇之星”。但这也并不是说他们一无所获。他们在这个过程中意识到，运用相同的技术，能够去寻找超新星。

    超新星是一些质量较大的恒星演化到晚期发生爆炸所产生的天体。它们在短时间内很明亮，一颗超新星的亮度可以相当于整个星系。超新星中有一类被称作Ia型超新星，天文学家认为它的亮度是固定的，可以当作“标准烛光”来使用。也就是说，它离我们越远，我们看到它就越暗，由此在天文学中可以用它们来测量距离。

    劳伦斯伯克利实验室后来将研究方向由“复仇之星”转向了寻找宇宙中的“标准烛光”。搜寻超新星也不是一件容易的事情。尽管它们本身很明亮，但由于距离遥远，在地球上看来，超新星还是相当的暗弱。另一个困难在于，超新星爆发之前并不会做出预告，而天文学家的望远镜使用时间是提前至少几个月就申请好的，所以当超新星出现时，你并不一定能有可用的望远镜。保穆特曾经给世界各地的天文学家打电话请求他们协助观测，但这些人都会认为自己手头在做的事情更重要，所以并不是每次都配合。

    由于种种障碍，劳伦斯伯克利实验室搜寻超新星的项目一开始是两手空空，一些研究人员对此感到悲观，有人转行去做科普了，也有人去研究更为现实的气候变化问题。保穆特是少数坚持了下来的人。他后来接掌这个项目的时候，正是它最让人黯然的时期，当时他们一颗超新星都没有发现。美国的资助机构却继续给了他们经费，支持这项看上去毫无成果可言的研究。 |本文转载于:奇图网

    “2011年诺贝尔物理奖带给我们的一个启示就是，你根据什么标准来判断是否资助一项研究。”陈学雷感慨道，“要通过真正懂行的专家来评估它，考虑其具体的方案，看它在科学和技术上是否具有前景。如果仅仅看有没有发表论文，或者是否完成了计划，那么这种评估就是任何人，甚至是一个管理者就能做的了。”

    并不存在的错误

    与保穆特相比，澳大利亚国立大学的施密特和美国约翰·霍普金斯大学的里斯，都是更为“正统”的天体物理学家。施密特1967年出生于美国，他在哈佛大学读博期间的工作便是与著名天文学家罗伯特·科什那(Robert Kirshner)一起用超新星测距。里斯1969年出生于华盛顿，同样师从科什那，同样做的是用超新星测距的工作。

    也正因为他们从一开始就是从事这项工作，所以当他们试图用超新星去测量宇宙膨胀的时候，他们会很清楚弥漫在天文学家之中的悲观情绪。不仅仅是搜寻超新星非常困难，而且在它们是否能被当作标准烛光这个基本问题上，天文学家也有诸多怀疑。

    他们仍然决定从事自己的老本行。1995年，施密特来到澳大利亚，开始调用地球上最大的望远镜搜寻超新星。他们倒是比较幸运，第一年便发现了一颗超新星。他们所使用的观测方法不同于保穆特的团队，不过二者心中的预期是相同的发现宇宙膨胀正在减速。

    大约在137亿年前，我们的宇宙在一次大爆炸中诞生，然后一直膨胀到今天。对于宇宙的未来，科学家们认为有三种可能性。一是膨胀会慢慢停止，然后整个宇宙再缩回去；一是宇宙会加速膨胀下去，变得越来越大，越来越冷，越来越空。最多的人认为，膨胀会减速，但介于以上二者之间。施密特、里斯和保穆特当时也是这样认为的。 |本文转载于:宇宙奇闻奇图网

    ，他们的观测结果却分明给出了相反的结论宇宙膨胀并没有减速，而是在加速。里斯把所有数据处理完得到这个结论时，第一反应是“啊，我犯了个可怕的错误，我得把这个错误找出来。”然后，他花了几个星期的时间寻找那个并不存在的错误，这个过程让他开始想到，这个结果会不会是正确的？

     而在保穆特那边，他们也并不是一下子就发现了重大突破。他们也是在对数据的处理过程中慢慢意识到事情的不同寻常。他们没有像阿基米德那样在泡澡的时候突然喊出“Euraka！”(找到了)，而是在持续九个月的时间里逐个拼出以上六个字母。

    竞争的一个好处就是，它让里斯看到，原来其他人也得到了与他们相同的结论。于是，他的想法从“我犯了个可怕的错误”转变为，“我的天哪，这可能是正确答案！”

    随着两个团队分别发表自己独立的研究结果，“宇宙在加速膨胀”成了为1998年最大的科学突破。天文学家为了解释这一现象，提出了“暗能量”的概念。正是在暗能量的驱动下，宇宙出现了加速膨胀。

    暗能量和暗物质成为了或许是21世纪初最令天体物理学家们迷惑的课题，它们的实质至今尚未清楚。现在知道的是，我们的宇宙由大约70%的暗能量、26%的暗物质和4%的普通物质组成。我们的身体、我们所用到的一切，我们看到的天上所有的星星，都只属于那4%的宇宙。