陶嘉琳

（法國(guó)科學(xué)院馬賽粒子物理中心，清華大學(xué)天體物理中心，北京 100084）

遙遠(yuǎn)的超新星和加速膨脹的宇宙

陶嘉琳

（法國(guó)科學(xué)院馬賽粒子物理中心，清華大學(xué)天體物理中心，北京 100084）

2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已頒發(fā)給Saul Perlmutter，Adam Riess和Brian Schmidt三人，以表彰他們“通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹”的科學(xué)貢獻(xiàn)。本文介紹這一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的背景、意義及其所開(kāi)辟的新方向.

超新星；加速膨脹；宇宙學(xué)；暗能量

1 超新星和宇宙學(xué)中距離的測(cè)量

超新星分為許多種類(lèi)，通常是根據(jù)光譜中有無(wú)氫線來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)圖1.

超新星的傳統(tǒng)分類(lèi)尚未反映出當(dāng)前人們對(duì)超新星爆發(fā)機(jī)制的理解.目前普遍認(rèn)為，Ⅱ型超新星和Ⅰb、Ⅰc型超新星的爆發(fā)都是由于大質(zhì)量恒星（其質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的許多倍）耗盡所有的核燃料之后，發(fā)生核坍縮造成的，而Ⅰa型超新星則是由于質(zhì)量較輕的白矮星吸積其伴星，最終導(dǎo)致超新星爆發(fā).

像宇宙中的許多事物，包括我們?nèi)祟?lèi)一樣，我們觀測(cè)的樣本越多，則會(huì)發(fā)現(xiàn)越多的多樣性.超新星的一個(gè)重要的觀測(cè)量，是它們的光變曲線的形狀，也就是說(shuō)，光度隨時(shí)間的變化（見(jiàn)圖2）.

圖2 在靜止坐標(biāo)系下觀測(cè)到的超新星的光變曲線

白矮星之所以能夠避免被自身強(qiáng)大的引力場(chǎng)所壓垮，靠的是電子簡(jiǎn)并壓.白矮星在到達(dá)1.38個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的錢(qián)德拉塞卡質(zhì)量上限之前是很穩(wěn)定的.（1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予天文學(xué)家錢(qián)德拉塞卡，部分原因是他計(jì)算出了錢(qián)德拉塞卡極限）當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到1.38倍太陽(yáng)質(zhì)量之后就開(kāi)始坍縮，但是坍縮的壓力點(diǎn)燃了爆炸性的碳反應(yīng)，最終導(dǎo)致整個(gè)白矮星的爆炸，并遺留下中子星或黑洞這樣的遺跡.

光的輸出主要來(lái)自爆炸中產(chǎn)生的放射性鎳和鈷的衰減所發(fā)出的能量.觀測(cè)到的光能量與錢(qián)德拉塞卡極限有關(guān)，這在所有的Ⅰa型超新星爆發(fā)中基本一致.這使20世紀(jì)30年代之后的許多科學(xué)家 （如 Zwicky， Baade， Sandage， Kowal，Tammann等等）建議用Ⅰa型超新星作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”來(lái)測(cè)量宇宙中的距離.

事實(shí)上，Ⅰa型超新星并非精確的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”.觀測(cè)到的Ⅰa型超新星的峰值光度存在1個(gè)星等（也就是2.5倍亮度）左右的彌散，如圖3所示.圖3中還展示了不同Ⅰa型超新星的光變曲線.

圖3

Pskovskii［7］，Phillips［8］，Goldhaber 等 人［9］以及Perlmutter等人［10］提出，Ⅰa型超新星峰值處的光度與光變曲線的下降率有關(guān)：低光度超新星的光度衰減較快，高光度超新星衰減較慢.

經(jīng)過(guò)這種光變曲線的改正后，Ⅰa型超新星的相對(duì)光度的誤差可控制在20%以?xún)?nèi).因此，將Ⅰa型超新星稱(chēng)作誤差范圍為20%的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”更為準(zhǔn)確，這一改正被稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)化.隨后，人們又對(duì)超新星進(jìn)行了顏色效應(yīng)的改正，因而，相對(duì)于早期的工作，超新星的標(biāo)準(zhǔn)化已不斷得到完善.Ⅰa型超新星的標(biāo)準(zhǔn)化究竟能夠改進(jìn)到何種程度？這是宇宙學(xué)的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，因?yàn)樗鼪Q定了我們能夠在多大程度上改進(jìn)超新星宇宙學(xué).讀者可參考李宗偉和王曉峰關(guān)于超新星方面的中文綜述［7］.

2 超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目組（SCP）和高紅移超新星搜尋項(xiàng)目組（High－z Supernovae）簡(jiǎn)介

20世紀(jì)70年代，氣泡室項(xiàng)目結(jié)束之后，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Luis Alvarez帶領(lǐng)的一組科學(xué)家對(duì)天體物理產(chǎn)生了濃厚的興趣.Rich Muller和Georges Smoot及其他人一起開(kāi)展了研制宇宙微波背景輻射（CMB）探測(cè)器的工作，這導(dǎo)致了CMB偶極不對(duì)稱(chēng)性的發(fā)現(xiàn)，后來(lái)Smoot參與了COBE的項(xiàng)目，并最終獲得了2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

Stirling Colgate等人［8］在1975年建議利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜尋超新星.Rich Muller和Carl Pennipacker在伯克利建立起了第一個(gè)項(xiàng)目組，Gerson Goldhaber，Saul Perlmutter和 Heidi Marvin也參與到其中.他們制作了一個(gè)鏡頭和一個(gè)大視場(chǎng)CCD相機(jī)，并將它們安裝在英澳天文臺(tái)的3.9m望遠(yuǎn)鏡上.盡管有澳大利亞天文學(xué)家Brian Boyle和 Warrick Couch的幫助，但是觀測(cè)時(shí)的壞天氣使得他們3年來(lái)一顆超新星都未能找到.

首次成功搜尋到遙遠(yuǎn)超新星是在20世紀(jì)80年代后期，利用位于智利的丹麥1.5m望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的.Norgaard－Nielsen等人［4］觀測(cè)到了兩個(gè)源，不過(guò)當(dāng)它們被發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)過(guò)了光極大值.

隨后幾年，Saul Perlmutter發(fā)展了“批量搜尋超新星”的技術(shù).在新月剛剛過(guò)后拍攝參考天圖，然后在下一個(gè)新月之前成批拍攝“發(fā)現(xiàn)”圖.接下來(lái)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，從可能發(fā)現(xiàn)超新星的圖片中減去參考天圖，將可能的超新星候選者標(biāo)記出來(lái).

得到超新星候選者的位置后，利用世界上的大型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)和光譜分析，就可能認(rèn)證出超新星.宇宙射線和熱像素可以通過(guò)疊加相隔幾分鐘的兩張圖像去除掉.這項(xiàng)搜尋工作還發(fā)現(xiàn)了小行星，活動(dòng)星系核（AGN）以及許多其他變?cè)?

1996年左右，SCP項(xiàng)目組終于發(fā)現(xiàn)了數(shù)顆超新星，這使得負(fù)責(zé)分配望遠(yuǎn)鏡時(shí)間的委員會(huì)決定，給予SCP項(xiàng)目組更多的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間.當(dāng)時(shí)參加SCP項(xiàng)目的王力帆，目前是中國(guó)南極天文研究課題的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人.

與此同時(shí)，委員會(huì)成員之一的Bob Kirshner意識(shí)到這一課題的重大意義.他決定與他的學(xué)生及博士后 Brian Schmidt，Adam Riess，Nick Suntzeff嘗試進(jìn)行獨(dú)立研究，于是成立了高紅移超新星項(xiàng)目組.不久后，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡也發(fā)現(xiàn)了Ⅰa型超新星，地面望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)行了測(cè)光.1997年1月召開(kāi)的美國(guó)天文學(xué)會(huì)（AAS）大會(huì)上，發(fā)布了利用3顆超新星數(shù)據(jù)得出的非零的宇宙學(xué)常數(shù)的結(jié)果！然而，這一初步結(jié)果卻與當(dāng)時(shí)同樣在會(huì)上宣布的SCP組的結(jié)果相矛盾.SCP組的結(jié)果來(lái)自對(duì)28個(gè)Ⅰa型超新星樣本中的7顆超新星的數(shù)據(jù)分析.

然而事后不久，Gerson Goldhaber［10］證實(shí)了SCP組最初所用的7顆超新星事實(shí)上是很特別的.而高紅移超新星小組似乎比較幸運(yùn)，他們選擇的3顆超新星使他們更接近正確的軌道，他們的結(jié)果在接下來(lái)的一年中被另外的7顆超新星的數(shù)據(jù)所證實(shí).

經(jīng)過(guò)10年的尋找超新星的艱苦努力和失敗，Saul Perlmutter和他的同事們終于在1998年底成功得到了42顆高紅移的Ⅰa型超新星.與他們最初試圖利用高紅移超新星去測(cè)量宇宙膨脹的減速因子的期望恰恰相反，這42顆超新星的數(shù)據(jù)，并結(jié)合Calan Tololo對(duì)近鄰Ⅰa型超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，表明宇宙的膨脹似乎是在不斷加速的（圖4）！

圖4

高紅移超新星［5］和超新星宇宙學(xué)（SCP）［6］這兩個(gè)獨(dú)立的、彼此競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目組所發(fā)表的結(jié)果互為佐證，使暗能量的證據(jù)更為可靠.

Gerson Goldhaber于2008年告訴了我們超新星宇宙學(xué)小組的故事以及許多科學(xué)家所做的貢獻(xiàn)［10］.可惜的是 Gerson Goldhaber于2010年辭世，否則他可能會(huì)與Saul Perlmutter共同獲得2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).而R.Kirshner在《奢侈的宇宙：爆炸的恒星、暗能量和加速膨脹的宇宙》（2002年）中給我們精彩地講述了高紅移超新星小組的故事，以及兩個(gè)研究小組之間的競(jìng)爭(zhēng).

宇宙的加速膨脹是很令人驚奇的，因?yàn)槿绻钪嬷兄挥形镔|(zhì)，膨脹將會(huì)減速，因此必須有其他的東西存在來(lái)解釋宇宙的加速膨脹.這一類(lèi)似“萬(wàn)有斥力”的效應(yīng)可能源自愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)，也不排除其他更復(fù)雜的理論.

在得到多組數(shù)據(jù)的證實(shí)后，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)決定對(duì)物理學(xué)獎(jiǎng)授予這一重要發(fā)現(xiàn).隨著更先進(jìn)的技術(shù)、更精確的定標(biāo)、更好的“標(biāo)準(zhǔn)化”，這一發(fā)現(xiàn)被隨后的數(shù)百顆高紅移Ⅰa型超新星的觀測(cè)結(jié)果（包括SNLS、ESSENCE、SDSS等項(xiàng)目）和近鄰超新星（SNFactory，CfA）的數(shù)據(jù)所證實(shí).2011年的三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者在這些方面做出了巨大貢獻(xiàn)（最新的超新星觀測(cè)結(jié)果及參考文獻(xiàn)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［14］）.

宇宙的加速膨脹無(wú)疑是一個(gè)非凡之謎.很遺憾的是，雖然這些成果是團(tuán)隊(duì)共同完成的，但是諾貝爾獎(jiǎng)只頒發(fā)給項(xiàng)目的首席科學(xué)家.諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)還面臨一個(gè)難題，那就是兩個(gè)研究小組最初所發(fā)表的論文的說(shuō)服力太弱.即便將兩個(gè)組的樣本合在一起，其1997至1998年所發(fā)表的結(jié)論也只是“2σ”的結(jié)果，也就是說(shuō)，是不具備足夠說(shuō)服力的.

3 通向精確宇宙學(xué)之路

加速膨脹的宇宙學(xué)模型也得到了其他獨(dú)立的宇宙學(xué)探針的交叉佐證，包括宇宙微波背景輻射、重子聲波震蕩、弱引力透鏡、強(qiáng)引力透鏡等.在這些宇宙學(xué)探針的幫助下，人們成功構(gòu)建起了被稱(chēng)為宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的精確宇宙學(xué)模型.這一模型中的主要成分是廣義相對(duì)論中的宇宙學(xué)常數(shù)，以及另一個(gè)神秘的組分——暗物質(zhì).

如今我們卻面臨著一個(gè)“悖論”：我們可以用“百分之幾”的高精度，來(lái)測(cè)量我們對(duì)宇宙的“無(wú)知度”——因?yàn)槲覀儍H僅知道今天宇宙組分中的4%?。▍⒁?jiàn)圖5：構(gòu)成今天宇宙各個(gè)組分的餅圖），而其中的主導(dǎo)成分導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹.目前人們對(duì)這種神秘的宇宙組分幾乎一無(wú)所知，所以它被稱(chēng)作暗能量.

圖11 構(gòu)成今天宇宙的各個(gè)組分的餅圖

4 宇宙加速膨脹的早期線索

本篇綜述若不提及Tinsley和Gunn在1975年的工作［15］就有些有失公平了，他們對(duì)球狀星團(tuán)年齡問(wèn)題的分析得到了宇宙加速膨脹最早的線索.但是他們的結(jié)論被使用100km/s/Mpc這一過(guò)大的哈勃參數(shù)值給破壞了.Fliche和Souriau利用類(lèi)星體數(shù)量演化以及分析獨(dú)立的哈勃－勒梅特參數(shù)得到了對(duì)于非平坦宇宙的一個(gè)正的宇宙學(xué)參數(shù)（1.19±0.13），還得到了一個(gè)很低的物質(zhì)密度，事實(shí)上他們所得到的物質(zhì)密度相當(dāng)于現(xiàn)在測(cè)量到的重子密度（0.05～0.06）.這篇文章當(dāng)時(shí)是在法國(guó)發(fā)表的［16］，可能因此也沒(méi)能得到廣泛的傳播，盡管總結(jié)部分是用英語(yǔ)寫(xiě)的.

其他關(guān)于正宇宙學(xué)常數(shù)較早的線索來(lái)自G.Paál等人［17］對(duì)于 1990年 Broadhurst等 人［18］發(fā)表的“pencil beam巡天”的星系異常分布的數(shù)據(jù)的重新挖掘.利用這些數(shù)據(jù)，Paál等人發(fā)現(xiàn)，在一些宇宙學(xué)模型中，這些所謂的異常會(huì)變?yōu)檎?在這些模型中，需要引入宇宙學(xué)常數(shù)，即暗能量.兩年后在另一篇論文［19］中，他們得出ΩΛ大約等于2/3.這一數(shù)值被后來(lái)的Ⅰa型超新星的測(cè)量（以及其他測(cè)量）所證實(shí).但是他們的工作直到最近才被人們注意到.

另外，出于一些理論上的考慮，也有必要引入宇宙學(xué)常數(shù).暴漲模型傾向于宇宙是平坦的，即宇宙的總密度恰好等于臨界密度，宇宙的幾何處在開(kāi)放與閉合之間的臨界狀態(tài)——平坦的宇宙.對(duì)星系團(tuán)的測(cè)量表明，宇宙中所有物質(zhì)組分對(duì)宇宙平均密度的貢獻(xiàn)為0.3，所以需要某種新的組分，來(lái)貢獻(xiàn)其余的0.7，正如Ostriker和Steinhardt［20］在1995年所提出的.因此在1997年就流傳著宇宙學(xué)常數(shù)這一想法.這也是為什么盡管當(dāng)初超新星數(shù)據(jù)得到的證據(jù)還比較弱的時(shí)候，人們就欣然接受宇宙學(xué)常數(shù)的原因之一.利用超新星證實(shí)宇宙的加速膨脹確是人類(lèi)的一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，盡管我們目前僅僅是觀測(cè)到了這一現(xiàn)象，而并不能理解其物理本質(zhì).

5 宇宙學(xué)常數(shù)還是暗能量？

愛(ài)因斯坦最早在他著名的廣義相對(duì)論方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)，用來(lái)使宇宙維持恒定不變.當(dāng)哈勃及其同事通過(guò)對(duì)星系的距離—速度的測(cè)量，證實(shí)宇宙是在不斷膨脹的時(shí)候，愛(ài)因斯坦便認(rèn)為沒(méi)有必要引入宇宙學(xué)常數(shù).

然而宇宙學(xué)常數(shù)的概念一直留到了今天，但它的物理詮釋?zhuān)鏩eldovich［21］最先提出的是真空的量子漲落，卻給出比實(shí)際觀測(cè)高出120個(gè)數(shù)量級(jí)的預(yù)言.而且，讓它在全部宇宙歷史中都保持一個(gè)常數(shù)，似乎也不可能，除非我們生活在一個(gè)空的de Sitter宇宙中.因此，理論家更傾向于宇宙學(xué)常數(shù)為零，是由于超對(duì)稱(chēng)效應(yīng)的相互抵消造成的.有關(guān)宇宙學(xué)常數(shù)和量子漲落關(guān)系的全面討論，參見(jiàn) M.Maggiore［22］近期的論文.

鑒于目前測(cè)到的宇宙學(xué)常數(shù)不但不為零，反而主導(dǎo)了宇宙的動(dòng)力學(xué)，我們亟需對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，以使我們理解暗能量的本質(zhì)：到底它就是宇宙學(xué)常數(shù)，還是一種標(biāo)量場(chǎng)，比如quintessence？亦或是修改引力理論的假象，亦或是負(fù)質(zhì)量，負(fù)能量，不均勻宇宙，或是我們的宇宙存在繞率……？現(xiàn)在已有太多的理論模型，我們?cè)诖瞬荒芤灰幻杜e.參考文獻(xiàn)［23］給了一個(gè)很好的綜述，它介紹了到目前為止的許多有趣的研究進(jìn)展，以及現(xiàn)在的觀測(cè)給我們提供的暗能量的信息.

我們需要結(jié)合多種宇宙學(xué)探針，進(jìn)行不斷改進(jìn)的觀測(cè)，以使我們理解暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì).其中最值得期待的是歐空局計(jì)劃于2018年之后發(fā)射的EUCLID衛(wèi)星［http：//sci.esa.int/science－e/www/object/index.cfm？fobjectid＝42266］，以及未來(lái)的平方公里射電望遠(yuǎn)鏡陣列SKA這一國(guó)際項(xiàng)目（http：//www.skatelescope.org/）.另一個(gè)重要的項(xiàng)目是十年內(nèi)將建在南極最高點(diǎn)冰穹A的中國(guó)的2.4米望遠(yuǎn)鏡KDUST，它將得到澳大利亞、法國(guó)和美國(guó)等國(guó)天文學(xué)家的國(guó)際支持（參見(jiàn)http：//www.kdust.org/KDUST/KDUST.html）.

致謝感謝李時(shí)雨和陳俊丞提供本文的中文版本，感謝Roland Triay提醒我Fliche和Souriau的文章.

［1］ S.Chandrasekhar，The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs，Ap J.74（1931），81～82

［2］ W.Baade and F.Zwicky.On Super－Novae，Proc.Natl Ac.of Sciences 20（5）：254（1934）

［3］ Hamuy et al.，AJ 106，239（1993）

［4］ Y.P.Pskovskii，Soviet Astronomy 28，658（1984）

［5］ M.M.Phillips，ApJL413，L105（1993）

［6］ G.Goldhaber，et al.and S.Perlmutter，et al.，NATO Advanced Study Inst.on Thermonuclear Supernovae，Aiguablava，Spain，20－30June 1995

［7］ Z.W.Li and X.F.Wang in Progress in Physics in Chinese，Volume 3，Issue 30，pp.247－279（2010）

［8］ S.A.Colgate，E.P.Moore，and R.Carlson，PASP87，565（1975）

［9］ H.U.Norgaard－Nielsen，L.Hansen，H.E.Jorgensen，A.Aragon Salamanca，and R.S.Ellis，Nature 339，523（1989）

［10］ G.Goldhaber，《The Acceleration of the Expansion of the Universe：A Brief Early History of the Supernova Cosmology Project （SCP）》，talk at Dark Matter 2008（DM08）Conference Marina del Rey California

［11］ A.G.Riess，et al.，AJ 116，1009（1998）

［12］ S.Perlmutter，et al.，ApJ 517，565（1999）

［13］ R.Kirshner，The Extravagant Universe ：Exploding Stars，Dark Energy，and the Accelerating Cosmos（2002）

［14］ A.Conley et al.ApJS（2011），192，1

［15］ Gunn，J.E.and Tinsley，B.M.Nature，257，5526（1975）454 Tinsley，B.M.－Physics Today.－30，6（1977）32－38 Tinsley，B. M. －Accelerating Universe Revisited，Nature.273，5659（1978）p.208～211

［16］ Fliche H.H，and Souriau，J.M.Astron.Astrop.78，87（1979）

［17］ Paal，G.；Horvath，I.；Lukacs，B，Astrophysics and Space Science，vol.191，no.1，107（1992）

［18］ Broadhurst，T.J.et al，Nature 343：726728

［19］ Holba，A.et al.，Astrophysics and Space Science 222：65（1994）

［20］ J.Ostriker ＆P.Steinhardt，Nature，377，600（1995）

［21］ Ya B Zel’dovich Sov.Phys.Usp.11381（1968）

［22］ M.Maggiore，Physical Review D，vol.83，Issue 6，id.063514（2011）

［23］ R.Durrer，invited talk at the meeting“Cosmological Tests of General Relativity”at the Kavli Royal Society Center for the Advancement of Science organized by Rachel Bean，Pedro Ferreira and Andy Taylor.in Phil.Trans.R.Soc.A （2011）

［24］ Reviews on Dark Energy projects in second decade of Cosmology in China 21st century，Scientia Sinica Physica，Mechanica ＆ Astronomica，Volume 41，Issue 12（2011）

DISTANT SUPERNOVAE AND THE ACCELERATION OF THE UNIVERSE

Tao Charling
（CPPM/IN2P/CNRS France，and Tsinghua Center for Astrophysics，Tsinghua University，Beijing 100084）

The Nobel Prize 2011in Physics has been awarded to Saul Perlmutter，Adam Riess and Brian Schmidt for their contributions to the“Discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae”.This article gives some background on the importance of such a discovery and the research path it is opening.

supernovae；acceleration；cosmology；dark energy

2011－12－16）