【2011諾貝爾】物理獎:閃亮「星」發現

三位科學家透過觀察超新星,發現宇宙正加速膨脹,得到了諾貝爾物理獎的肯定。

編譯 | 汪芃

      三位天文物理學家為宇宙學點出了一個令人費解的核心問題,獲得諾貝爾獎的殊榮。

      本次諾貝爾物理獎的一半獎金頒給了美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的索歐.珀爾馬特(Saul Perlmutter)。珀爾馬特率領一個團隊進行研究,發現宇宙正不斷加速膨脹中(S. Perlmutter et al. Astrophys. J. 517, 565–586; 1999)。另一半獎金則由另外兩位得主均分,分別是澳洲國立大學(Australian National University)的布萊恩.施密特(Brian Schmidt),以及美國馬里蘭州巴爾的摩(Baltimore, Maryland)太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)的亞當.瑞斯(Adam Riess),他們測量出宇宙加速(cosmic acceleration)的現象(A. G. Riess et al. Astron. J. 116, 1009–1038; 1998),而這正是學界一直想了解的課題。

      施密特在瑞典接受記者電話訪問時表示:「我覺得膝蓋有點發軟,有點像我小孩出生時的感覺。」

      這三位科學家的研究結論都是透過測量遙遠的Ia超新星(Type Ia supernova)所得來的。Ia超新星只會現身在特定的聯星系統(binary star system)中;必須有一顆白矮星將另一顆恆星的物質不停拉扯過去,最後聚積足夠質量,產生爆炸,才會形成Ia超新星。由於Ia超新星所發出的最大亮度差不多一致,因此很適合作為「標準燭光」,用來測量宇宙中極遙遠的距離。

      在一九八○年代末到一九九○年代初這段期間,幾位得獎者曾利用當時最新研發的數位感測器,精準測量出Ia超新星的亮度,並將所測量出的亮度和紅移現象(redshift,也就是超新星往遠離地球的方向移動時所產生的光線色彩變化)相比較;兩個研究團隊都發現,和測得的紅移現象相比,超新星的亮度比預期中的暗。因此自然得出了一個結論:宇宙不只如一九二○年代以來天文學家所想的一直在膨脹,而且膨脹的速度還越來越快。

      施密特說,這個新發現起初「非常令人費解」。在此之前,天文學者多半認為宇宙在大爆炸(Big Bang)之後的快速擴張應該會漸漸趨緩,因為重力場的牽引應該會使各星系之間逐漸靠攏。儘管如此,天文學界幾乎是立刻就接受了他們的新發現──一部分也是因為愛因斯坦先前已提出宇宙會因宇宙壓力而向外擴張的概念。

      一九一七年時,愛因斯坦把他的廣義相對論套用在整個宇宙上,當時他的方程式中包含了一個「宇宙常數」,所描述的正是這種向外推的作用力。過去十年間,學者觀測了宇宙的大規模結構和宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation,意即大爆炸後殘存的餘暉),而觀測結果也都指出宇宙中大部分的能量仍未被偵測到。現在天文學界普遍相信,宇宙中大約有73%的能量都投入在「宇宙加速」中;這些力量也就是大家所稱的暗能量(dark energy),目前我們仍所知甚少。英國卡地夫大學(Cardiff University)的天文物理學者彼得.寇爾斯(Peter Coles)說:「我們發現的到底是什麼,沒人能確定。」

      目前比較普遍的觀點認為,暗能量是太空的真空環境中量子波動(quantum fluctuations)所產生的能量,但科學家試圖用量子理論來解釋暗能量,卻始終不曾成功。除此之外,其他如改變引力場等假說則很少有學者支持。

      寇爾斯說:「或許所有假說都是錯的;但要不是因為有人進行了這些實驗,我們今天也沒辦法否定這些假說。」

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研究出處:http://www.nature.com/news/2011/111004/full/478014a.html (Nature)

責任編輯:Nita Hsu

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