大爆炸宇宙学

看一看

上一节结尾的时候我卖了个关子，用造父变星这把量天尺我们只能测量距离我们较近的星系，稍微远一点的星系在天文照片中只不过是一个亮点，小的只有几个像素大。几个像素之中当然没有办法分辨出造父变星。那该怎么办呢，天文学家们靠什么来计算这种暗弱星系的距离呢？

办法当然是有的，这个办法与恒星的死亡有关。宇宙中最常见的恒星是太阳这样稳定燃烧的普通恒星。太阳在50亿年之后会变成红巨星，最后的归宿是白矮星。白矮星需要漫长的时间才能冷却下来，变成一种不发光的黑矮星。一般来讲，到了白矮星阶段，恒星就算是死了，到了黑矮星阶段算是彻底死透了。

比太阳大8—10倍的恒星死的时候不会这么平淡，假如在这颗恒星的晚年，吹光了所有的气体以后，剩下的核心质量还超过1.44倍太阳质量，那么它是没办法稳定存在的，会发生超新星爆发，最后剩下一个中子星。超新星爆炸的亮度可以达到普通星系总亮度的一千倍以上。

1054年，宋朝的司天监记录到了一颗“天关客星”。这颗星在23天里的白天都能看到，在随后的一年里，夜里还能看到。大约一年以后，它逐渐消失了。后来天文学家在同一个位置找到了一个蟹状星云，到现在这个星云还在以1450千米/秒的速度膨胀。中间还有一颗新鲜出炉的中子星在高速旋转。一千年的时间对天体来讲，真的可以算是新鲜出炉。这颗超新星就是由一颗质量是太阳质量9—11倍的恒星爆炸形成的。

但是，还有一类超新星，爆炸以后会炸得干干净净，一点残渣都不留。太空里成双成对的双星是非常常见的，其中一颗星已经到了风烛残年，变成了白矮星。可是因为离伙伴距离太近，这颗白矮星就开始薅邻居家的羊毛，疯狂吞吃伙伴的气体，越吃体重越大。当质量达到了1.44倍太阳质量这个临界值的时候，就会突然发生超新星爆发。这种薅邻居家羊毛的小偷被称为Ia型超新星。而这种Ia型超新星有一个显著的特点，由它爆发的原理可知，它每次都是刚好达到1.44倍太阳质量就爆炸。这等于是一颗装药非常精确的闪光弹。我们完全可以用Ia型超新星来当作标准烛光。它比造父变星亮太多了，可以在极其遥远的距离上看到它。NASA发现了迄今为止最远的Ia型超新星，距离我们100亿光年，换句话说，它是在100亿年前爆炸的，居然还能被我们在地球上看到，所以Ia型超新星是一把非常优秀的量天尺。

尽管超新星非常亮，但是因为距离远，所以看起来仍然非常微弱，寻找起来非常难。一般都是用比对照片的办法来查找是不是有哪个小点以前没见过。有些星系的星系核也会突然变亮，有的恒星会被太阳系里的小天体遮挡，造成亮度变化，因此还要排除这些干扰因素。好在现在都可以用计算机程序来自动化操作，还可以加入AI人工智能帮忙，找到Ia型超新星已经不像过去那么艰难了。

超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精确校准。利用爆炸余晖，可以把这把尺子调节得更加精确。遥远的天体发出的光千里迢迢跑到我们地球的过程之中，难免会碰上气体云、尘埃之类的，还要矫正这些雾霾带来的亮度误差。这些气体云和尘埃会更多地吸收蓝光，因此可以从红光和蓝光的比例来判断衰减了多少。

经过天文学家的不断努力，这把尺子已经被校准。20世纪90年代以来，有两个独立的研究团队利用当时世界上最先进的设备，在连续几年的时间里，坚持不懈地对高红移Ia型超新星进行了观测，系统地研究了宇宙膨胀现象。他们本来的目标是计算出宇宙膨胀的减速状况。

上次我们讲到过弗里德曼和勒梅特，到弗里德曼的学生伽莫夫手里时，大爆炸宇宙学正式成型。这个理论的基础就是来自于爱因斯坦用场方程对宇宙作出的计算。依据大爆炸宇宙学，我们宇宙的万事万物来自138亿年前的一场大爆炸。从这一个点开始不断地膨胀，产生了现在的万事万物。

科学家们预计，在爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨胀速度会减慢，就像炮弹朝天上发射一样，出炮膛的一瞬间速度是最快的，然后就会开始减速，当达到最高点，速度为0时，下落的过程就开始了。速度不够快是飞不出地球的引力范围的，炮弹上升的高度有极限值。

当然，炮弹速度足够快，就可以不掉下来，变成卫星，再快一些就可以飞出地球引力范围，一去不回头。所以在过去，物理学家们也一直都认为宇宙大爆炸和炮弹发射很类似，宇宙中的所有物质都会产生引力。假如物质足够多，引力足够大，最终我们的宇宙膨胀到了顶点，还是会开始收缩的，最后重新变成一个点，这个过程叫作“大挤压”。这样的宇宙虽然无比辽阔，但是体积终究有限，因此也叫封闭宇宙。

假如物质不多不少刚刚好，我们的宇宙再也不会收缩了，虽然膨胀速度在下降，但是永远也减不到0。和人造卫星不会掉到地球上是同一个道理。这是一种温和的结局，一切都慢慢消逝。

这一切的关键都取决于我们的宇宙物质密度有多大。根据科学家们的计算，宇宙物质密度有一个临界点，平均下来就是每立方米3个氢原子，如果超过这个临界点，那么宇宙恐怕将会走向大挤压结局。但是目前我们发现宇宙的物质密度远比这要小，大约每立方米只有0.2个氢原子。看来我们的宇宙并不是一个封闭的宇宙。

为了探求宇宙的未来，天文学家们试图测量宇宙膨胀的精确速度，从而确定它的减速情况。几乎所有的科学家都认为，宇宙膨胀理所应当是在刹车，区别无外乎是温和的刹车，还是急刹车，也有小部分科学家认为是空档滑行。

20世纪90年代，有两个各自独立的团队几乎同时向这个宇宙终极命运问题发起了冲击，其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的波尔马特领衔，成员来自7个国家，总共31人，阵容强大；另一个团队则由哈佛大学的施密特领衔，也是一个由20多位来自世界各地的天文学家组成的豪华团队。

波尔马特团队的计划叫作超新星宇宙学计划，而施密特团队的计划叫作高红移超新星搜索队。最终，两个团队先后发现了让人大跌眼镜的现象，宇宙在前70亿年确实是在减速膨胀，可是在70亿年前的某个时间点上，减速膨胀反转成了加速膨胀，这就好像开车，先是踩刹车，然后再踩油门，这个事情就大大出乎科学家们的意料了。爱因斯坦或者伽莫夫要是听说这事儿，估计一口老血都能喷出来。

宇宙加速膨胀的这个观点足以惊动全世界，这样惊人的观点要站住脚，必须要经受住比其他科学观点更加严苛的考验。因此，尽管两个团队公布了所有的观测数据和他们的研究方法，但要让全世界的科学家们接受依然证据不够。在这之后，世界各地的天文学家们又进行了大量的独立观测、验证，包括COBE、WMAP和普朗克卫星都对这个结论做了不同程度的观测验证。到今天为止，宇宙加速膨胀已经成为一个经受住严苛检验的事实而被科学共同体所接受。

2011年，波尔马特、施密特以及亚当·里斯获得当年的诺贝尔物理学奖。这一次，诺贝尔奖算是反应比较迅速的，没有等到这几位七老八十才把奖发给他们。波尔马特算是最老的，当时也才52岁。在此之前，他们已经拿奖拿到手软了。

从诺贝尔奖的反应速度，大家也能掂量出他们的成就有多重要。这个发现实在是太让人意外了。那么，接下去，就自然而然会产生一个重要的问题：到底是谁在踩油门呢？这一切该如何解释呢？咱们下节揭晓答案。

最后，我给大家找了一个Ia超新星爆炸原理的演示视频。如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“超新星”，就可以观看了。 FWPqvTYvz8ccCaVToD0hIETdcN3rJeB7PDjS0SGbopDIXTfwfxntoYjWqooFAQ8r