互动科普

跨越遥远距离观察到的爆发恒星证明，宇宙的膨胀可能正在加速。这是一个证据，说明宇宙可能被一种奇异的新能量形式所分开。

很久很久以前(大约50亿年前)，在一个很远很远的星系中(大约在2000兆秒差距的距离上)，一颗早已死亡的恒星爆发了，它那强烈闪光的亮度超过了10亿个太阳的亮度恒星爆炸发出的光越过空间向四面八方扩散开来，在这过程中逐渐变暗弱并随着宇宙的膨胀而不断延伸，直至最终有一部分光到达地球。1997年一个漆黑的夜晚，来自该超新星的数百颗光子在l0分钟内先后射到智利一台远望镜的反射镜上。然后这个天文台的一台计算机产生出一幅数字图象，显示了这一微弱闪光的到来。虽然乍看起来并不觉得有什么起眼之处，但对于我们来说，这一暗弱的光斑却是一幅令人大为激动的图景，它为时间与空间的测量提供了一个新的路标。

我们以及我们在世界各地的同行已经跟踪观测了来自数十个这类超新星的光，并利用这些观测结果绘制出宇宙总的形状图并确定了宇宙膨胀的时间顺序我们以及另外一组天文学家最近发现的东西对数十年来天文学界的传统观念提出了挑战：看来宇宙比人们过去所认为的更大，也更空虚。而且，它那持续不断的膨胀并未象许多宇宙学家们预测的那样正在放慢：事实上，宇宙的膨胀可能正在加快。

恒星扭曲

在本世纪的大部分时间里，宇宙膨胀的历史一直引起天文学家的极大关注，因为宇宙的膨胀既反映了宇宙的几何特性也反映了其组分的性质(宇宙的组份包括物质光可能还有其它更复杂的能量形式)。阿尔伯特爱国斯坦的广义相对论把宇宙的这些基本性质互相联系起来，并描述了它们如何影响物质的运动和光的传播，从而使人们能对天文学家可阻实际测量的具体事物作出预言。

爱因斯坦于19l6年发表了相对论，其后的十年中天文学家首次观测到宇宙的膨胀，而在此之前，大多数科学家认为宇宙的大小是恒定不变的事实上，当爱因斯坦意识到他的方程意味着宇宙是动态的时，连他自己都不相信这些方程了。然而，Edwin P. Huhble(哈勃)及其他天文学家对星系运动所作的新的测量使人们再无任何怀疑：暗弱而遥远的星系离开地球的速度比明亮的邻近星系离开地球的速度要快。这一事实与广义相对论对宇宙的预测相吻合：宇宙不断膨胀，使各个星系相距越来越远这些研人员根据可见光谱线向较长波长的移动程度(即所红移量)而确定了星系向外的速度。虽然这种宇宙红移量常常被归因于多普勒效应(火车或汽车从我们身旁驶过时其汽笛或喇叭音调的变化便是由这一现象造成的)，但更正确的解释是，此红移应被视为宇宙持续膨胀的结果，这种膨胀把穿越星系间行进的光的波长拉长。从遥远天体发出的光由于行进了较长的时间，因而其红移量比邻近天体发出的辐射的红移量更大。

哈勃时代的技术使人们对宇宙膨胀的初步探索仅局限于比较近的星系。在光从这些比较近的星系射到地球上所需的时间内，宇宙的膨胀量与其总尺度相比是很小的，对于这样一种不大的变化红移量与距离成正比；两者之间的恒定比值称为啥勃常数，它表示当前宇宙膨胀的速率但是天文学家们早就预料，对于更远的星系其红移量与距离之间的速率随时间的推移发生了变化，或者是由于地球与星系之间的空间发生了扭曲。因而，测定这种效应就成了字宙学家们的一项重要目标——但这是一个相当困难的任务，因为它需要某种方法来确定地球到这些极其遥远的星系的距离。

哈勃及其他一些先驱者假定，各种不同星系全都具有相同的本身亮度，并据此而估计了同星系的距离根据他们的推理，看起来显得比较亮的星系应该是离地球比较近的而看起来暗淡的星系则离地球很远，但是这一方法仅是勉强行得通，因为星系的性质各不相同。此外，某些非常遥远的辐射源的光要用极长的时间才能到达地球，以致它显示的是这些遥远星系在几十亿年前的状况(也就是在其年轻时期的状况)。对于这些星系上述方法就完全不起作用了，因为它们的本身亮度可能与看起来距地球设近的更为成熟的星系完不同，很难把天体演化过程造成的这些变化同宇宙膨胀的效应区分开来，因此天文学家很久以来就一直在寻我其本身亮度已被掌握得更为准确的其它“标准烛光”。

为了在数十亿光年远的距离上都能够被观测到，这些空间路标必须报其明亮——七十所代初期，某些宇宙巡天观测者试图用类星体作为路标。(类星体是一种极高能量源，它的能量可能是由吞食恒星和气体的黑洞提供的)。但结果却证明他们研究的类星体比起星系来还要五花八门，因此没有多大用处。

大约在同一时期，其他天文学家开始探索另外一种设想——利用超新星(即爆发的恒星)作为宇宙学研究的标准烛光。这一方法曾引起争议，因为超新星的性质也是千差万别的，但是，过去10年中，由于我们小组成员进行的大量研究工作，科学家们现在已能非常准确确定一类超新星(即la型超新星)的本身亮度。

死亡恒星

什么是la型超新星呢？实质上它就是当一颗已死亡的恒星变成了天然的热核炸弹时所发生的猛烈爆炸尽管这一最终的转变进程极为壮观，但它的前身在开始其生命历程时也只是一颗普遍的恒星，即一个稳定的气态球，它的核心部分持续进行的核反应所产生的热量支撑着它的外层(核反应把氢转变为氦，碳氧、氖和其它元素)。当恒星死亡时，核反应的残渣聚集成一团灼热的余烬，并在重力的作用下被压缩到只有地球那么大，其密度达到通常物质密度的1百万倍。

这些所谓白矮星中的大多数只逐渐变冷并暗淡下去，并且几乎悄无声息地一命呜呼了。但是如果一颗白矮星在另一颗恒星附近作轨道运动，那么它可能从其伴星那里夺来物质，使自己变得越来越密宴，直至最终点燃一场极为猛烈的热核大火这场热核灾变把白矮星炸得四分五裂，以每秒1万公里的速度向外抛出物质。这一不断膨胀的火球发出的灼热光大约在3个星期后达到其最大亮度以后，经过数月的时间逐渐降下来。

这些超新星的辉度略有不同但是有一条规律可寻：较猛烈、较明亮的超新星爆炸，持续的时间比较暗弱的爆炸多少长一些。这样，通过观察超新星持续时间的长短，天文学家便可对超新星的差异进行校正，从而推导出趔新星的本身亮度，其误差在l2％以内。在过去10年中，用现代探测器对近邻la型超新星进行的研究已使得这些超新星成为天文学家已知的校准得最好的标准烛光。

在一个典型的星系中，大约每隔3百年便有这样的一根蜡烛在星系的某处被点亮。虽然这类恒星爆炸在我们的银河系中是比较罕见的天体事件，但是如果你观察几千颗其它的星系，你可以预计平均每个月将出现一la型超新星爆发。事实上，宇宙中的星系是如此之多，此致亮得足以对其进行研究的超新星爆发每几秒钟就会在天空的某个地方出现一次。天文学家们所要做的就是找到这些超新星爆发并且仔细地研究它们过去几年中，有两个研究团体一直在忙于这项工作一个就是我们的研究小组称为“高z组”（z是天文学家用来表示红移的字母)它是澳大利亚斯特姆洛山天文台和赛丁斯普林格天文台的Brian P. Schmide组织的一个松散团体，另一个则是与我们竞争的一项合作研究计划，称为“超新星宇宙学项目”，它于l988年上马，其负责人是劳伦斯伯克利国家实验室的Saul Perlmutter。

虽然这两个研究小组的工作是相互独立的，但它们利用了同一项基本进展在巨型望远镜上配置大的IU于或光探测器这两者的结台将产生出宽广的条状天区上的暗弱天体的数字图象。这项新技术的一个极好的实例(两个研究小组都曾利用过)是“大透光率照相机”(Big Throaghput Camera)，它是由密执安大学的Gary M. Bernstein和朗讯科技公司的J. Anthony Tyson开发当这台照相机被置于智利托洛沼山美洲天文台的4米Blanco望远镜的焦点上时，一次曝光就覆盖了象满月那样大的一块天区，10分钟内产生了一幅包括5千个星系的图象。

寻找遥远的超星就是每隔几个星期拍摄天空同一部分的象，然后检查是否出现了可能意味着恒星爆炸的变化。由于数字式光探测器可以精确地统计每一象素中的光子数目，因此我们只需把第一幅图象与第二幅图象相减，然后看看是否出现了显著偏离零的情况。因为我们要检查每一对图象中的成千上万个星系，因此我们可以相信检查许多对图象后将发现许多的超新星一一只要天气不错。幸运的是美洲天文台位于智利阿塔马沙漠南缘安第斯山的丘陵上，天空通常都{晴朗我们断定我们将获得某些有价值的发现，因此预先在世界各地的其它许多望远镜上安排了观测时间，以便不待超新星暗淡下去就能够开始进行后续的跟踪测量。

其实，搜寻天空中的爆炸恒星在地上也激起了一阵非常紧张的活动因为我们必须以危险的速率获取并比较数百幅大的数字图象我们占用散布在整个托洛洛山天文台的计算机来执行把图象对齐对大气透明度和图象尺寸方面的差别进行校正。以及把两幅扫描图象相减等项任务如果一切顺利，在两幅图象相减的结果中大多数星系将会消失，只利下一点点视觉噪声较强的信号意味着出现了某个新的或正在变化的天体，如变星、类星体、小行星等，少数情况中是超新星。

我们的软件记录下新天体的位置，并试图识别哪些真的是超新星一但是自动检测并不完善因此我们必须亲眼仔细审视图象以确定一颗推测的超新星是否是货真价实的超新星由于我们必须立刻用其它的望远镜跟踪我们的发现因而必须迅速进行分析。在这些令人精疲力竭的日子里，托洛洛山天文台成了天文学家和访问学者的“血汗工厂”，他们一连儿天夜继日地工作，仅凭一股热情和智利煎饼坚守岗位。

然后我们把世界上最大的光学仪器新近在夏威夷建造的凯克望远镜对准超新星的最佳候选者这些关键的观测确定所发现的这些天体是否真是la型超新星更精确地测定它们的本身亮度并确定它们的红移。

阴暗面

我们小组的其它成员利用澳大利智利和美国等地的望远镜，也在观测这些超新星以跟踪它们的亮度如何达到最大然后又如何慢慢暗淡下去对单单一颗超新星的观测活动要持续几个月之久，其最终分析常常还要等1年甚或更长的时间，直至爆炸恒星的光几乎完全消失，而我们能够获得其宿主星系的清晰图象之时我们用这一最终图象来从超新星的图象中减除宿主星系的恒定发光。我们最好的测量结果得自哈勃太空望远镜，它可以获取授为精细的图象细节，使爆炸恒星从其宿主星系的背景上清楚地凸显出来。

这两个小组现在总共研究了几十颗高红移超新星这些超新星是在40亿年前到70亿年前之间爆发的，当时宇宙正处于其现在年龄的一半到三分之二之间两个小组都碰到了一个重大的出乎意料的现象：这些超新星比预料的要暗观测值与预测值的差异并不大；遥远的超新星平均说来仅比预测值暗。观测值与预测值差异并不大：遥远的超新星平均说来仅比预测值暗25%，但这一结果已足以使传统的宇宙理论遭到怀疑了。在得出任何一般性的结论之前两个小组的天文学家曾反复探索，对于这些遥远恒星相对较暗的现象是否有一种简单而平凡的解释。一种解释可能是挡住了部分光线的宇宙尘埃所引起的昏暗。然而，我们认为可以排除这种可能性，因为尘埃颗料倾向于滤掉蓝光而不是红光，从而使超新星显得比它真正的颜色更红(大气尘埃使得快要落山的太阳显得更红就是这个道理)。我们没有观察到任何这种变化。此外，我们预料宇宙尘埃将会使测量结果产生很大差异(除非它在整个空间中分布得非常均匀平滑)，但我们也没有发现这些差异。

另一种可能的干扰是引力透镜作用，即光线在其行进途中擦过星系边缘时所发生的弯曲这种透镜作用用时会造成亮度增大，从而可能成为遥远超新星变暗的原因之一。但是计算表明这一效应对于其距离比我们所研究的超新星还要远的辐射源才是重要的，因此我们也可以忽略它最后，我们担心遥远超新星与邻近的超新星多少有点不同遥远超新星可能是从比较年青的恒星形成的、这些，恒星所含的重元素比更成熟的星系中的典型恒星少，虽然我们不能排除这种可能性，但我们的分析已经尝试把这方面的差异考虑进去。当我们把据此而作的修正用于近邻星系时——这些星系中发现的超新星其年龄、构成和类型相差很大——的确是相当有效的。

由于这些比较普通的效应全都与新的观测结果不符合，因此我们和其它许多天文学家现在开始设想，遥远超新星出乎意料的暗弱的确是由宇宙的结构造成的，空间和时间的两个不同的性质可能都在起作用。

首先，空间可能有负曲率。通过二维的类比，可能比较容易理解这种扭曲生活在一个完全平坦的二维世界中的人(比如Edwin A. Abbbott的经典小说“平国”(Flatland)中的人物))会发现，半径为r的圆的周长为2πr。但是，如果他们的世界被精巧地弯曲成一个马鞍形，那么它将具有不大的负曲率(见本期Martin A Bucher与David V Spergel所著“低密度宇宙中的暴胀”一文)马鞍国”(Saddleland)中的二维居民可能不会注意到这一曲率，直到他们测量了具有某一规定半径的大圆并发现其周长大于2r时。

出于各种各样理论上的原因，大多数数学家假定我们的三维空间同平国一样不是弯曲的，但是，如果三维空间有负曲率，那么一颗古老的超新星发出的大的辐射球面其表面积将大于在几何平坦的空间中的表面积，从面使该辐射源显得莫名其妙的暗淡。

对于遥远超新星出乎预料的暗淡的第二种解释就是，它们的距离比其红移量所提示的距离要大换种方式来看就是，在这样大的距离上的超新星，其红移量似乎小于预期值为了解释红移量的减小，宇宙学家们推测宇宙在过去膨胀得必定比他们预期的要慢，从而使宇宙以及在宇宙中传播的光的总的延伸量减小。

力

宇宙膨胀放慢的速度低于以前的预料，其重要性何在呢？如果宇宙是由通常物质构成的，则引力必定逐渐使膨胀慢下来。因此，膨胀放慢的速率较低(正如对超新星的测量所显示的那样)意味着宇宙中总的物质密度较低。

虽然这一结论动摇了理论上的见解，但它却与若干方面的证嚣相吻合例如，天文学家们已经迮意到，某些恒星似乎比公认的宇胄年龄还要老，这显然是完全不可能的事但是、如果宇宙在过去膨胀得比较慢(正如超新星观测现在所表明的那样)，则宇宙的年龄就必须向增大的方向修正，从而有可能解决这一矛盾。新的结果也同最近进行的其它若干旨在弄清宇宙物质总量的尝试——例如对星系团的研究——相吻合（参看本刊l999年3月号』Patrick Henry，Ulrich G. Briel和Hans Bohringer所著“星系团的演化”一文）。

关于宇宙物质密度的新认识，对于宇宙的曲率的问题能蟮说明些什么呢?根据广义相对性原理，曲率与减速是互相关联的。借用以前曾在普林斯顿大学的John A. Wheeler的话来说，物质告诉时空如何弯曲，而时空则告诉物质如何运动。较低的物质密度意味着负曲率，也就意味着膨胀放慢的速度较低，如果宇宙是近于空的，那么这两种暗淡效应就部接近它们的理论上的最大值。

大大出人意料的是我们所观测的超新星甚至比对于一个近于空虚的宇宙所预测的超新星亮度还要暗(近于空虚的宇宙其负曲率达到最大)。就其表面价值来看，我们的观测结果似乎要求膨胀真的是随时间而加速。仅由通常物质构成的宇宙不可能以这种方式膨胀，因为它的重力始终是吸引力，但是根据爱因斯坦的理论，如果一种奇异的能量形式充满了空间的所有地方，那么膨胀就可能加速。在爱因斯坦的方程中，这种奇异的“真空能”表现为所谓的宇宙常数。与通常的物质和能量形式不同真空能加进了一种排斥性的重力，可以使宇宙以越来越大的速度分离开来（参看本期Lawrence M. Krauss所著“宇宙反重力”一文），一旦我们接受了这种不寻常的可能性，我们就能够圆满地解释我们的观测结果，即使是假定宇宙有理论家们所偏爱的平坦几何特性找到一种产生排斥性重力的奇异能量形式存在的证据是我们能够期望的最令人感兴趣的结果，但是这一结果极为惊人，因此我们和其他研究人员对此仍有一定的怀疑。幸运的是，天文学家们可以利用的技术正在取得不断进展(如新型红外探测器及下一代空间望远镜等)，这些更精确，更可靠的仪器将使我们很快就能检验我们的结论。这些神奇的仪器也将使我们得以窥见更久远的时期以前在更远得多的星系中爆发的更暗淡的路标。