星与暗能量的意识--今年诺贝尔物理奖工作的牵线(转)

By admin in 亚洲必赢官网app on 2018年10月22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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现年底诺贝尔物理奖授予了三各在意识宇宙加速膨胀的钻研中做出杰出贡献的师:Perlmutter,
Schmidt和Riess.
应该说,由于这项工作肯定的伟大重要性,几年来她们径直是获奖的红人物。但是,导致宇宙加速膨胀的暗能量是啊仍是一个勿缓解的问题,而相关的无数驳和考察还处于研究的火线,存在诸多谜和争议,诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的风俗习惯,所以自己本来以为他们还要更过多少年才见面得奖。因此,作为同一称宇宙学研究者,我啊她们当年赢得这项荣誉感到非常高兴。

Perlmutter,
Schmidt 和 Riess
是因对明星的钻研而得奖的。超新星的定义是1934年出于茨维基和巴德提出的。他们怀疑当有恒星寿命结束时以见面塌缩,然后发爆裂,其亮度可直达十亿居然百亿独阳光的亮度,巴德同茨维基也着眼到了有大腕。后来察觉,其实有半点栽不同之大腕,
一种植是茨维基最早提出的核塌缩超新星,另一样栽其爆炸机理不同,现在貌似认为是白矮星(质量比较低之恒星比如日光在燃尽核燃料后就是会化白矮星)从那个伴星中吸积物质,到自然水准后出对爆炸。有趣之凡,茨维基和巴德极其早观测到之大腕都是末端这种他们所没有想到过之类型,被称呼Ia型超新星。

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贪图1:超新星遗迹Cas
A.

 

由明星很亮,可以当自然界中那个远的地方看看,因此可用来研讨宇宙学。特别是,白矮星有一个质量上限,称为钱德拉塞卡质量,大约是1.4只阳光质量,白矮星发生超新星爆炸时多都于相近这质量。既然这白矮星的品质还多,就起理由觉得,其爆炸时的亮度可能啊大都。这样,Ia型超新星就有或当”标准烛光”来使用:假定所有明星的”绝对亮度”也就算是本身的亮度等,那么根据观测到之同样颗Ia超时髦的视亮度,就可测算其到我们的离开。另一方面,我们还足以观测到这些明星的光谱,从中测出超新星的”红移”。比如,一漫漫本在615纳米的谱线,经过红移后成1230纳米,那么我们尽管说这个超新星的红移z=1,因为观测到之谱线长度是原先的(1+z)倍。如果我们管测到之大腕的红移和去一一对应起来,我们即便可以描绘生所谓哈勃图,不同之宇宙学模型的哈勃图是无一样的,因此用这种艺术,可以测出宇宙究竟是何等的。

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贪图2:这是Perlmutter
等人1998年刊出的超新星哈勃图,横坐标是红移,上面一样贪图的纵坐标是品(越暗星等越充分),几修曲线是见仁见智宇宙学理论的断言。下面图则是和理论的去。

 

尽管地方叙述的这种艺术原则达成提死简短,但实质上做起来并无易于。首先是如发现超新星。尽管我们地方说超新星非常亮,但位于浩瀚的大自然中,也特是软的一些。下面的觊觎演示了一个大腕的觉察图像:你可以看到,它可怜微弱而不起眼,经过简单次放大之后为并无轻在图像上看下。发现它们的道是,把少单同一天区但于不同随时拍摄之像叠在一起,用后一致张减去面前无异摆放,从两者的异发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选人还非都是星,还有一些别的东西,比如星系中心的移动星系核有时会变换亮,太阳系中的小行星有时见面正好飞至这边,等等。在进一步观察排除这些其它东西后,才会找到超新星。这更是的洞察包括用多次两样随时的观赛获得明星亮度随时间变的曲线(光变曲线),以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更麻烦,往往需要再次可怜的望远镜,而且要以星最终变暗以前进行。

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图3:SCP组演示如何通过比法找过时髦的图

1980年代中期,一些丹麦之天文学家开始打算找这些宇宙中之漫长超新星,经过长达到2年的查找,他们才找到了第1粒超时髦,后来他俩还要发现了同样颗,但总算为发现的过少而放弃了。由于老为难发现超新星,再长对明星是否算”标准烛光”持怀疑态度,许多天文学家当时本着及时仿佛研究抱悲观态度。

 

否是于当下等同时,劳伦斯伯克利实验室(LBL)的平组物理学家开始针对找超新星产生了感兴趣。这无异于小组的传奇的创始人Luis
Alvarez兴趣广泛。他我以高能物理实验(气泡室)方面的行事获得诺贝尔奖,但他越发公众所知是盖提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的论争。这无异于小组中的Carl
Pennypacker 和Rich
Muller开始进行超新星研究,发展了平等仿照于图像遭到自动寻找超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的摸索,但是同开始他们砸了,并未找到其他明星。后来,Pennypacker
转而从事科普,而Rich Muller
本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的震慑,转向研究气候变化和天下变暖问题——其实他有关明星搜寻的劳作为是与追寻”复仇之星”(Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上之生物大规模灭绝存在周期性,Muller
认为可能是出于阳光有平等颗红矮星要褐矮星伴星即复仇的星,当其沿周期则接近太阳经常,其针对性小行星轨道的动乱就容易招小行星撞击地球。
Muller
的门徒Perlmutter的钻一开始就是摸索这粒复仇之星。后来,Perlmutter接掌了星项目。有趣的凡,尽管Rich
Muller本人在宇宙空间学领域工作的时光不丰富就算去了,但他产生星星点点个徒弟后来为宇宙学研究收获了诺贝尔奖:研究CMB的George
Smoot 2006年得奖,Perlmutter今年获奖。

Perlmutter
接掌这项工作正是以档次不过艰苦的时日:他们不获取任何成果,连一粒超时髦都没会窥见,而同澳大利亚人的协作呢到了了。这无异色是否还会拓展下?伯克利及美国的补助机构在认真的评估后控制继续给予补助。Perlmutter工作专注,被当是得挽救这等同档之人选。他们或者赢得了经费,造了一致高CCD相机坐于西班牙加纳利群岛的平宝望远镜上,作为交换他们得以用就同样望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也非常拼命,为了对发现的候选超新星进行后续观察,Perlmutter
会给中外各处天文台的望远镜打电话,恳求着用望远镜的口帮忙他开展观测。

 

前期超新星研究之同好困难在安确保找到超新星并摄及该光谱。这里除了技术上的不便外,还有获得望远镜观测时间之不方便。现代的天文望远镜都是由于众天文学家共用之。一各或同一组天文学家要因此望远镜,需要写一客提案,说明自己的正确性目标与相方法,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日子。这样,大型望远镜的洞察时间表一般就提前一年或半年得下来了。而在发现超新星之前,人们非常为难预先申请到这些观测时间,发现超新星后屡屡只能临时借用他人的体察时间展开持续观察,这十分不便保证得大量数量。Perlmutter
发展了千篇一律模仿”批处理”的措施: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,并马上与往底相进行比,找来可能的明星候选者,这样第2龙他们即使足以得到同样批超新星候选者样本,然后再用Keck
10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几乎单月,因此这等同措施充分实惠。由于同一涂鸦好收获多个明星候选者,也就算好申请到好望远镜的体察时间。用这种方法,Perlmutter领导之钻小组(称为明星宇宙学计划Supernova
Cosmology Project, SCP)开始察觉大量的星。

 

伯克利的SCP小组由物理学家组成,他们相同开始于明星天文学中之不在少数艰苦并无净了解,”无知者无畏”可能是他们以大部天文学家对明星观测感到悲观时挺身开展这项研讨之有由。然而,随着他们渐渐接近成功,天文学家们为初步观看梦想并准备出席竞争。哈佛大学的Bob
Kirshner (Adam
Riess的老师)等人口呢想进行超新星观测,但问题是,SCP小组曾花费几年时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这么的软件为?如果无,要拓展竞争是不方便的。Brian
Schmidt
只所以了一个月就是出有了这样平等仿照软件,他莫象SCP小组那样完全新写一仿软件,而是经过做有备的天文软件而实现了当下同一对象。这样,由Kirshner,
Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z
小组以黑马的快捷在了竞争的行列。

 

兹找超新星的问题化解了,但Ia型超新星是否算标准烛光也?遗憾的是,并非全盘如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同,有的明星光度的扭转快又快一些,有些则更慢有。不过,Mark
Philips
通过研讨发现,那些绝对亮度更可怜的星,其变快为多次更缓慢。因此采取光变曲线可以修正超新星绝对亮度的成形。

 

此外,对于实际观测的星,还得考虑好几单其他问题。星际空间是着尘埃,这些尘埃会吸收光子,使明星变暗。好当就同样力量还是可以修正补偿的。尘埃吸收除了使目标转移暗外,还见面再多接蓝光而造成目标变红,因此依据该转移红底水准进行更正。问题是,每粒超时髦其自身的水彩其实也并无完全相同。最后,即使自己光谱完全相同的大腕,当它们位于不同红移时,用为得波长的滤光片组进行观测时,得到的颜料吗是无一致的,还用对当下同一力量进行改正。好以就几只作用则错综复杂,但来规律而比照。哈佛大学的研究生Adam
Riess
发展了扳平套数学方法,他发现,利用基本上单滤光片拍摄的光变曲线数据,经过拨乱反正后,Ia型超新星还是得作为近似的科班烛光的,因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是起愿意的。实际上,即使到了今,人们呢或不净亮为什么Ia型超新星经过修正后可以视作这样好的正式烛光。人们十分易想到各种因素,使得Ia型超新星偏离标准烛光,这为是一律开始多天文学家对星宇宙学感到悲观的原由。然而数据显示Ia型超新星经过修正后的确还是无可非议的科班烛光,这是自然界为我们的一个惊喜。当然,研究者们以于探究这中间的由来。

 

SCP和High-z这有限单小组的竞争异常霸气。到了1997年下半年,他们初步意识,高红移的大腕比她们本预期的要暗。根据哈勃图,这标志宇宙的膨大在加紧而无是放慢。这是不是是由于观测或数处理上之缪致的也?或者,尘埃吸收等因素考虑得无敷周全?经过数检讨,1998年1月,两独小组几乎与此同时发布了团结之观结果,SCP组有42颗超时髦数据,High-z
组只发生16粒超时髦数据,但每颗的误差要聊片。总之,他们平的定论是宇宙的膨胀在增速。这无异于结出轰动了社会风气。

 

论广义相对论理论,如果宇宙由一般的”物质”(包括所谓”暗物质”)组成,其膨胀会日渐减速,这是万发出引力的来意。那么哪些说观测到的宇宙膨胀加速呢?目前主流的解说是引入”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模一样栽形式,但具备很奇怪的性质。比如,它的有效性”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,因此可以了解成是跟万生出引力相对的”斥力”,可以招宇宙加速膨胀。根据现行对宇宙微波背景辐射、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是暗能量,此外还发百分之二十一横凡匪发光的暗物质,而我辈耳熟能详的便物质就占据百分之四大多或多或少。

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希冀4:宇宙的组分

 

也有人认为未需引入新的物质形式”暗能量”,而是万有引力的法则与我们一般所假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。

 

再有个别家怀疑明星的体察或数额解析出左,宇宙没有加速膨胀。但是,13年来人们以着眼了成百上千大腕,目前总和有几百发,对那个分析为进一步深刻,虽然还存在许多谜(比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么?),但数额我经过无数两样的天文学家用不同方式的辨析,迄今尚未发现大题材。其次,有人已经提出Ia型超新星的只有在传播中会由于与平等种为叫作”轴子”的假想粒子的相互作用而换暗,导致其给误认为是自然界加速膨胀。但是,这种假设与相的拟合并无好。特别是,有的高红移超时髦测量结果表明,宇宙的暴涨并非直接加速,而是先缓一缓还加速,这之所以上述假说非容易解释,而倒正是暗能量理论的预言。

 

暗能量的留存与否发部分旁方面的凭据。例如,早于SCP和High-z
小组公布他们的影星观测之前,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答辩。目前,也出少部分观察,例如强引力透镜的数,与因暗能量理论做出的断言称得不得了,但这些观测目前其可靠性本身是于小的,因此暗能量是为绝大多数口所接到的模子。

 

大自然的加速膨胀是一个震惊之第一发现,因此其发现者获得诺贝尔奖也是预料中的。但是,暗能量的本质仍是一个尚未缓解之问题。对立即同题材的钻研,也不行可能是未来基础物理学发展的突破口。国外来为数不少计划遭到的试行项目,而本国目前除外提出多种暗能量的答辩模型外,一些天文学家也结合我国实际,提出了有前景底暗能量实验观测计划。例如,在南极冰穹A(那里的洞察规范好)建造巨型光学望远镜,在本国天宫空间站上装备光学望远镜,在南美盖巨型的光谱巡天望远镜等,以及参与部分海外主要实验型之通力合作。笔者自我时为正在推进开展”天籁计划”研究,这是相同件在国内地方进行的试行,研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测,利用宇宙大口径结构面临之重子声波振荡特征精密研究暗能量的属性。希望未来我国于当时一头之研讨着也克做出要的觉察。

 

 从今年获诺贝尔物理奖的钻工作面临,我们能吃什么启迪呢?我道,Schmidt 和
Riess 等人口能够依靠自己之钻研累积,抓住战机,在急的竞争中一举冲入研究之尽前沿,其力量及机智令人钦佩。但再次值得考虑和借鉴之是Perlmutter等丁之硬坚持。作为研究者,要发生信念与胆略当艰难时坚持下去,正是这种信心以及胆量,使Perlmutter等人口于人们大多对星宇宙学感到悲观时会坚持下去。而美国底资助机构会超生失败,看出这同档之正确性价值及集团人员之力,保持对及时同一档次之补助,也是杀有见解的。有重大更新之科研常常有老要命之风险,很不便保证完全落实计划之成果。这时应怎么收拾?我国现在口头上啊时不时说支持探索、宽容失败,但骨子里有风险的研讨计划好为难获支持,更不用提对失败的理解与宽容了。这或许是咱们所当深思的。

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