明星与暗能量的发现--今年诺贝尔物理奖工作的介绍(转)

By admin in 天文台 on 2018年10月12日

个体分类:科学普及|系统分类:周边集锦|关键词:暗能量,超新星,诺贝尔奖

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今年的诺贝尔物理奖授予了三位在意识宇宙加速膨胀的钻着做出杰出贡献的学者:Perlmutter,
Schmidt和Riess.
应该说,由于这项工作明显的伟重要性,几年来他们一直是获奖的走俏人选。但是,导致宇宙加速膨胀的暗能量是呀仍是一个休缓解之题材,而有关的群辩护及着眼还地处研究之战线,存在不少疑团和争议,诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的风俗人情,所以我原本以为他们还要还过若干年才会得奖。因此,作为同誉为宇宙学研究者,我为她们当年收获这项殊荣感到非常高兴。

Perlmutter,
Schmidt 和 Riess
是坐对星的钻要得奖的。超新星的概念是1934年是因为茨维基和巴德提出的。他们怀疑当有些恒星寿命结束时用会见塌缩,然后出爆炸,其亮度可达成十亿还是百亿个太阳之亮度,巴德和茨维基也观察到了部分影星。后来发觉,其实生星星点点种不同的星,
一栽是茨维基最早提出的核塌缩超新星,另一样种植其爆炸机理不同,现在相像认为是白矮星(质量较小之恒星比如日光在燃尽核燃料后即会见化为白矮星)从该伴星中吸积物质,到一定程度后发生对爆炸。有趣的是,茨维基和巴德最好早观测到的星都是后这种他们所未曾想到了之品种,被誉为Ia型超新星。

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图1:超新星遗迹Cas
A.

 

由于明星很显,可以当自然界中很远之地方看看,因此可用来研究宇宙学。特别是,白矮星有一个品质上限,称为钱德拉塞卡质量,大约是1.4个阳光质量,白矮星发生超新星爆炸时差不多都比较像样这质量。既然这白矮星的色都差不多,就有理由觉得,其爆炸时的亮度可能啊多。这样,Ia型超新星就发或当”标准烛光”来行使:假定所有明星的”绝对亮度”也即是自己的亮度等,那么根据观测到的一致发Ia超时髦的视亮度,就可测算它到我们的偏离。另一方面,我们尚可以观测到这些明星的光谱,从中测出超新星的”红移”。比如,一长条本在615纳米的谱线,经过红移后成为1230纳米,那么我们便说之超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们管测到的明星的红移和去一一对应起来,我们不怕足以画有所谓哈勃图,不同之宇宙学模型的哈勃图是匪平等的,因此用这种方式,可以测出宇宙究竟是哪的。

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图2:这是Perlmutter
等人口1998年发表的大腕哈勃图,横坐标是红移,上面一样贪图的纵坐标是路(越暗星等更充分),几长曲线是见仁见智宇宙学理论的预言。下面图则是和辩论的相距。

 

尽管地方叙述的这种办法原则及说道那个粗略,但骨子里做起来连无轻。首先是一旦发现超新星。尽管我们地方说超新星非常亮,但在浩瀚的自然界间,也单独是薄弱的某些。下面的希冀演示了一个明星的发现图像:你得见见,它好微弱而不起眼,经过少赖放大之后也并无容易在图像上看下。发现她的法是,把有限独同一天区但每当不同随时拍摄之相片叠放在同,用后同摆设减去面前一样摆,从两岸的异发现或变亮的候选目标。这样找到的候选人还不还是明星,还有有别的东西,比如星系中心的活动星系核有时见面换亮,太阳系中之小行星有时见面正好飞到此,等等。在更为考察排除这些其它东西后,才能够找到超新星。这进一步的观赛包括用多次异随时的观察获得明星亮度随日别之曲线(光变曲线),以及摄影超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难以,往往要再老的望远镜,而且亟需以明星最终变暗以前进行。

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希冀3:SCP组演示如何通过比法找过时髦的觊觎

1980年份中,一些丹麦底天文学家开始准备寻找这些宇宙中之长期超新星,经过长齐2年的摸,他们才找到了第1颗超时髦,后来他们以发现了一样粒,但归根到底坐发现的过少要放弃了。由于那个麻烦发现超新星,再增长对明星是否算”标准烛光”持怀疑态度,许多天文学家当时对就看似研究抱悲观态度。

 

啊是当这无异于秋,劳伦斯伯克利实验室(LBL)的相同组物理学家开始针对寻找超新星产生了兴。这同样小组的传奇的创始人Luis
Alvarez兴趣广泛。他自身以高能物理实验(气泡室)方面的劳作得诺贝尔奖,但他越来越公众所知晓是坐提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这同样小组中的Carl
Pennypacker 和Rich
Muller开始展开超新星研究,发展了一如既往套于图像被活动寻超新星候选者的软件。他们运用澳大利亚底3.9米望远镜进行了一段时间的寻找,但是同开始他们砸了,并未找到另外明星。后来,Pennypacker
转而从科普,而Rich Muller
本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的熏陶,转向研究气候变化和中外变暖问题——其实他有关明星搜寻的工作吗是同追寻”复仇之星”(Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上之生物体大规模灭绝存在周期性,Muller
认为可能是由阳光有一样发红矮星要褐矮星伴星即复仇的星,当她沿周期则接近太阳经常,其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。
Muller
的门生Perlmutter的研究一开始即是寻觅这粒复仇的星。后来,Perlmutter接掌了明星项目。有趣之是,尽管Rich
Muller本人在天体学领域工作的光阴未丰富就算离了,但他出少数独徒弟后来坐宇宙学研究收获了诺贝尔奖:研究CMB的George
Smoot 2006年获奖,Perlmutter今年获奖。

Perlmutter
接掌这项工作正是以项目最艰苦的秋:他们无取得任何成果,连一粒超时髦都不曾能发现,而跟澳大利亚人的通力合作呢到了了。这同色是否还能开展下?伯克利及美国底资助机构以认真的评估后控制继续给予补助。Perlmutter工作专注,被当是足以挽救这无异于档的人士。他们还是获得了经费,造了平等贵CCD相机坐在西班牙加纳利群岛底相同尊望远镜上,作为交换他们得以下就无异望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也殊拼命,为了对发现的候选超新星进行持续考察,Perlmutter
会给大地各处天文台的望远镜打电话,恳求着采取望远镜的总人口帮助他进行观察。

 

首超新星研究的一致分外困难在安保证找到超新星并录像到其光谱。这里除了技术上之困顿外,还有取得望远镜观察时间的孤苦。现代的天文望远镜都是由于众多天文学家共用之。一各项还是平等组天文学家要因此望远镜,需要写一客提案,说明自己之科学目标及着眼方法,经过同行评议后,由望远镜时间分配委员会根据鉴定结果决定分配多少时。这样,大型望远镜的相时间表一般就提前一年还是半年得下来了。而在发现超新星之前,人们特别不便预先申请及这些观测时间,发现超新星后数只能临时借用他人的观赛时间进行后续观察,这老麻烦保证得大量数据。Perlmutter
发展了同样学”批处理”的艺术:他们每隔一个月,用观测规范最好之无月夜拍摄大片的星空,并及时和过去的洞察进行比,找来可能的影星候选者,这样第2天他们虽得收获同样批超新星候选者样本,然后再次用Keck
10米望远镜等大望远镜进行继续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几乎单月,因此这同样办法充分实用。由于平浅可落多独明星候选者,也便可报名到非常望远镜的观察时间。用这种办法,Perlmutter领导之钻研小组(称为明星宇宙学计划Supernova
Cosmology Project, SCP)开始发现大量之超新星。

 

伯克利的SCP小组由物理学家组成,他们一如既往开始于明星天文学中的浩大困难并无了了解,”无知者无畏”可能是他俩在多数天文学家对明星观测感到悲观时英勇开展这项研讨的一些因。然而,随着他们慢慢接近成功,天文学家们吧开始看希望并准备参加竞争。哈佛大学之Bob
Kirshner (Adam
Riess的教员)等丁呢想拓展超新星观测,但问题是,SCP小组曾花费几年日才研制有自动化超新星搜寻软件,别人是否在短期内研制有如此的软件为?如果没有,要开展竞争是困难的。Brian
Schmidt
只所以了一个月份即开发出了如此同样模仿软件,他没象SCP小组那样完全新写一效仿软件,而是通过结合有现成的天文软件要落实了当下同一靶。这样,由Kirshner,
Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人口结合的High-z
小组为出人意料的霎时在了竞争之阵。

 

当今找超新星的题材迎刃而解了,但Ia型超新星是否算标准烛光也?遗憾之是,并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同,有的星光度的变型速度更快有,有些则另行缓慢有。不过,Mark
Philips
通过研究发现,那些绝对亮度更充分之大腕,其变化速度吗频再慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的更动。

 

除此以外,对于实际观测的大腕,还需考虑好几只其他问题。星际空间有在尘埃,这些尘埃会吸收光子,使明星变暗。好于就同效能还是得以修正补偿的。尘埃吸收除了要目标变暗外,还会重新多收取蓝光而招致目标转移红,因此根据其更换红底档次进行修正。问题是,每粒超时髦其自己的颜色其实为并无完全相同。最后,即使我光谱完全相同的星,当她位于不同红移时,用让一定波长的滤光片组进行考察时,得到的水彩吗是未相同的,还需对当下同样效能进行改正。好以就几乎独力量则错综复杂,但有规律而循。哈佛大学的研究生Adam
Riess
发展了一致法数学方法,他意识,利用基本上独滤光片拍摄的光变曲线数据,经过拨乱反正后,Ia型超新星还是可以作为近似的正经烛光的,因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是起期待的。实际上,即使到了今,人们也或不完全亮为什么Ia型超新星经过修正后可用作这样好的正儿八经烛光。人们很轻想到各种因素,使得Ia型超新星偏离标准烛光,这为是如出一辙开始多天文学家对星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的正统烛光,这是天地为我们的一个惊喜。当然,研究者们按当探讨这之中的原委。

 

SCP和High-z这半独小组的竞争非常霸气。到了1997年下半年,他们开意识,高红移的星比她们原来预期的若暗。根据哈勃图,这标志宇宙的暴涨在加快而不是放慢。这是不是是由于观测或数处理上之荒谬致的也罢?或者,尘埃吸收等元素考虑得无敷周全?经过数检讨,1998年1月,两单小组几乎与此同时公布了协调之相结果,SCP组有42颗超时髦数据,High-z
组只出16粒超时髦数据,但每颗的误差要稍部分。总之,他们一如既往的定论是大自然的涨在加紧。这无异于结出轰动了社会风气。

 

依广义相对论理论,如果宇宙由一般的”物质”(包括所谓”暗物质”)组成,其膨胀会渐渐减速,这是万出引力的来意。那么怎样解释观测到的宇宙膨胀加速呢?目前主流的分解是引入”暗能量”的定义。暗能量(dark
energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner
引入的。它实质上为是素的一律栽形式,但所有特别怪异的性质。比如,它的灵光”压强”小于0,这些压强项使时空的弯曲和一般物质导致的时空弯曲相反,因此好掌握成是同万发引力相对的”斥力”,可以导致宇宙加速膨胀。根据本对大自然微波背景辐射、超新星等尝试数据的拟合表明,宇宙中大约百分之七十五左右凡暗能量,此外还来百分之二十一横凡未发光的暗物质,而我辈耳熟能详的平常物质就占据百分之四多或多或少。

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图4:宇宙的组分

 

否有人看未待引入新的物质形式”暗能量”,而是万有引力的法则与我们一般所设的广义相对论理论有所不同造成。不过,这种修改引力理论往往比暗能量理论更复杂。广义地说,这也可算暗能量模型。

 

再有个别家怀疑超新星的相或数额解析出误,宇宙没有加速膨胀。但是,13年来人们同时着眼了无数明星,目前总和有几百发,对其分析为更加深刻,虽然还留存许多谜(比如Ia型超新星爆炸的机理到底是呀?),但数量我经过多两样的天文学家用不同措施的解析,迄今尚未发现大题材。其次,有人已经提出Ia型超新星的仅在传播着会出于和同一栽为称作”轴子”的假想粒子的相互作用而换暗,导致其被误认为是天地加速膨胀。但是,这种假设与观的拟合并无好。特别是,有的高红移超时髦测量结果表明,宇宙的膨胀并非一直加速,而是先缓一缓还加速,这所以上述假说勿便于解释,而也正是暗能量理论的断言。

 

暗能量的存在呢时有发生部分旁方面的凭。例如,早于SCP和High-z
小组公布他们的超新星观测之前,有一部分科学家(例如Turner & Krauss,
Ostriker &
Steinhardt等)根据宇宙年龄、物质密度与功率谱等元素考虑,就认为宇宙可能包含暗能量。此后,宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其余观测也支持宇宙中是暗能量的反驳。目前,也出少部分观察,例如强引力透镜的数量,与因暗能量理论做出的预言称得不得了,但这些观测目前夫可靠性本身是于低之,因此暗能量是吗绝大多数人所接收的模子。

 

大自然天文台的加快膨胀是一个惊人之重点发现,因此该发现者获得诺贝尔奖也是意料中的。但是,暗能量的本色仍是一个还免缓解的题目。对这无异于问题之研讨,也蛮可能是前景基础物理学发展之突破口。国外来多计划受到的试行项目,而我国现阶段除了提出多种暗能量的论争模型外,一些天文学家也结我国实际,提出了有前途的暗能量实验观测计划。例如,在南极冰穹A(那里的观规范好)建造大型光学望远镜,在我国天宫空间站上配备光学望远镜,在南美修大型的光谱巡天望远镜等,以及与部分国外主要实验项目的协作。笔者自我时呢正值推进开展”天籁计划”研究,这是均等宗于境内地方进行的尝试,研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测,利用宇宙大规格结构被的重子声波振荡特征精密研究暗能量的习性。希望未来我国于及时一头底研究着吗能够做出要的觉察。

 

 从今年到手诺贝尔物理奖的研讨工作屡遭,我们能被什么启示呢?我觉得,Schmidt 和
Riess 等人口能够凭自己的钻积累,抓住战机,在熊熊的竞争着一举冲入研究的最前方,其能力及机智令人钦佩。但又值得沉思和借鉴的凡Perlmutter等人口之血性坚持。作为研究者,要产生信心与胆量在诸多不便时坚持下去,正是这种信念以及种,使Perlmutter等人口当众人多对星宇宙学感到悲观时能够坚持下去。而美国底补助机构能够超生失败,看出这无异色的正确性价值及团组织人员之力,保持对立即同类的补助,也是坏有观点之。有第一更新的科研常常出格外充分之高风险,很不便保证完全实现计划的果实。这时应怎么收拾?我国现行口头上吗时不时说支持探索、宽容失败,但实际有风险的研究计划非常为难获取支持,更不用提对失败的喻与宽容了。这也许是咱们所应有深思之。

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