当年Noble(Bell)物理奖工作的牵线

By admin in 亚洲必赢手机登录 on 2019年1月9日

村办分类:科学普及|系统分类:广阔集锦|关键词:暗能量,超新星,诺贝尔(Noble)奖

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本年的Noble(Bell)物理奖授予了三位在意识宇宙加速膨胀的研究中做出优异贡献的专家:Perlmutter,
Schmidt和Riess.
应该说,由于这项工作明确的巨大首要性,几年来她们直白是获奖的看好人物。然则,导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么样仍是一个未缓解的问题,而相关的不少争持和观看还处在研商的前线,存在很多疑问和争议,诺贝尔(Noble)(Bell)奖评委会素有稳重、保守的传统,所以自己原以为他们还要再过若干年才会得奖。因而,作为一名宇宙学琢磨者,我为他们当年获取这项殊荣感到非凡称心快意。

Perlmutter,
Schmidt 和 Riess
是因为对明星的钻研而得奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德指出的。他们怀疑当有的恒星寿命截止时将会塌缩,然后暴发爆炸,其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度,巴德和茨维基也观测到了一些明星。后来发现,其实有二种不同的大腕,
一种是茨维基最早提议的核塌缩超新星,另一种其爆炸机理不同,现在相像认为是白矮星(质料相比较低的恒星比如日光在燃尽核燃料后就会化为白矮星)从其伴星中吸积物质,到自然水准后暴发核爆炸。有趣的是,茨维基和巴德最早观测到的超新星都是前面那种他们所未曾想到过的花色,被誉为Ia型超新星。

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图1:超新星遗迹Cas
A.

 

鉴于明星很亮,可以在天地间中很远的地点来看,由此可用来探究宇宙学。特别是,白矮星有一个质料上限,称为钱德拉塞卡质料,大约是1.4个太阳质料,白矮星发生超新星爆炸时差不多都相比较接近这一个质地。既然这时白矮星的质地都差不多,就有理由觉得,其爆炸时的亮度可能也大抵。这样,Ia型超新星就有可能作为”标准烛光”来利用:假定所有明星的”相对亮度”也就是自己的亮度相等,那么按照观测到的一颗Ia超时尚的视亮度,就足以揣摸它到大家的相距。另一方面,我们还足以洞察到这多少个明星的光谱,从中测出超新星的”红移”。比如,一条原来在615纳米的谱线,经过红移后成为1230皮米,那么大家就说这么些超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原本的(1+z)倍。倘诺我们把测到的明星的红移和离开一一对应起来,我们就可以画出所谓哈勃图,不同的宇宙学模型的哈勃图是不等同的,因而用这种方法,可以测出宇宙究竟是如何的。

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图2:这是Perlmutter
等人1998年刊出的影星哈勃图,横坐标是红移,下边一图的纵坐标是星等(越暗星等越大),几条曲线是不同宇宙学理论的断言。下边图则是与理论的相距。

 

即使地方叙述的这种办法原则上讲很粗略,但实在做起来并不易于。首先是要发现超新星。尽管我们地点说超新星非凡亮,但身处浩瀚的宇宙之中,也只是软弱的一些。下面的图演示了一个影星的意识图像:你可以观看,它分外微弱而不起眼,经过四次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的法子是,把六个同一天区但在不同随时拍摄的照片叠放在一块儿,用后一张减去前一张,从互相之差发现可能变亮的候选目的。这样找到的候选人还不都是超新星,还有部分此外东西,比如星系核心的移动星系核有时会变亮,太阳系中的小行星有时会正好飞到这里,等等。在越来越观望排除这个另外东西后,才能找到超新星。那更是的观赛包括用多次例外随时的观看拿到明星亮度随时间变更的曲线(光变曲线),以及素描超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难,往往需要更大的望远镜,而且亟需在超新星最终变暗以前举行。

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图3:SCP组演示咋样通过比较法找超时尚的图

1980年代中叶,一些丹麦王国的天文学家开头准备寻找那多少个宇宙中的遥远超新星,经过长达2年的物色,他们才找到了第1颗超风尚,后来她俩又发现了一颗,但终因发现的过少而放任了。由于很难发现超新星,再增长对明星是否真是”标准烛光”持怀疑态度,许多天国学家当时对这类研讨抱悲观态度。

 

也是在这一时期,劳伦斯(Lawrence)贝克莱(Berkeley)(Berkeley)实验室(LBL)的一组物文学家开首对寻找超新星爆发了感兴趣。这一小组的传奇的开创者Luis
Alva(Alva)rez兴趣广泛。他本身因为高能物理实验(气泡室)方面的干活拿到Noble(Bell)奖,但他进一步公众所知是因为提议小行星撞击地球导致恐龙灭绝的论争。这一小组中的Carl佩恩ypacker 和Rich
Muller起首展开超新星研讨,发展了一套在图像中机动寻找超新星候选者的软件。他们利用澳大孟菲斯的3.9米望远镜举行了一段时间的检索,可是一起初他们败北了,并未找到此外明星。后来,Pennypacker
转而从事科普,而Rich Muller
本人受阿尔瓦(Alva)(Alva)rez关于恐龙灭绝探讨的影响,转向探究气候变化和海内外变暖问题——其实她关于明星搜寻的劳作也是与追寻”复仇之星”(Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上的生物体大规模灭绝存在周期性,Muller
认为可能是由于阳光有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星,当它沿周期轨道接近太阳时,其对小行星轨道的扰动就便于造成小行星撞击地球。
Muller
的学子Perlmutter的探究一最先就是寻觅这颗复仇之星。后来,Perlmutter接掌了明星项目。有趣的是,尽管Rich
Muller本人在大自然学领域办事的年月不长就离开了,但她有六个徒弟后来因为宇宙学研究得到了诺Bell奖:探究CMB的GeorgeSmoot 二零零六年获奖,Perlmutter二〇一九年得奖。

Perlmutter
接掌这项工作正是在项目最困苦的时期:他们未拿到其他收获,连一颗超时髦都没能发现,而与澳大科尔多瓦人的合作也到期截至了。这一门类是否仍能开展下去?Berkeley以及美利坚联邦合众国的捐助机构在认真的评估后决定继续予以襄助。Perlmutter工作专注,被认为是可以弥补这一连串的人员。他们依旧得到了经费,造了一台CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上,作为交流他们得以接纳这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很用力,为了对发现的候选超新星进行继续观看,Perlmutter
会给大地各处天文台的望远镜打电话,央浼正在利用望远镜的人援助她展开观望。

 

最初超新星研究的一大困难在于怎么着保管找到超新星并摄影到其光谱。这里除了技术上的诸多不便外,还有取得望远镜阅览时间的忙绿。现代的天文望远镜都是由众多天国学家共用的。一位或一组天思想家要用望远镜,需要写一份提案,表明自己的不错目的和观赛方法,经过同行评议后,由望远镜时间分配委员会依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早就提前几年或半年定下来了。而在意识超新星此前,人们很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旁人的体察时间举办持续考察,那很难保证收获大量多少。Perlmutter
发展了一套”批处理”的主意:他们每隔一个月,用观测规范最好的无月夜拍摄大片的星空,并立时与往年的观测举办相比,找出可能的明星候选者,这样第2天他们就足以获取一批超新星候选者样本,然后再用Keck
10米望远镜等大望远镜举办连续光谱观测。恰好超新星的光变周期是多少个月,因而这一方法充足实用。由于几回能够拿到三个明星候选者,也就可以申请到大望远镜的考察时间。用这种办法,Perlmutter领导的钻研小组(称为明星宇宙学计划Supernova
科兹莫(Cosmo)logy Project, SCP)起初意识大量的超新星。

 

伯克利(Berkeley)的SCP小组由数学家组成,他们一开端对于明星天农学中的许多艰苦并不完全精晓,”无知者无畏”可能是他们在大部分天翻译家对明星观测感到悲观时大胆举行这项商讨的一对原因。然则,随着他们渐渐接近成功,天文学家们也开始看到梦想并预备参与竞争。华盛顿(华盛顿)巴拿马城(Louis)分校大学的BobKirshner (艾达(Ada)m
Riess的助教)等人也想拓展超新星观测,但问题是,SCP小组曾花费几年时光才研制出自动化超新星搜寻软件,别人是否在长期内研制出这么的软件呢?假诺没有,要进行竞争是不方便的。Brian
Schmidt
只用了一个月就支付出了这样一套软件,他从未象SCP小组这样完全新写一套软件,而是通过结合一些现成的天文软件而落实了这一对象。这样,由Kirshner,
Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组合的High-z
小组以黑马的连忙参预了竞争的连串。

 

现今找超新星的题目迎刃而解了,但Ia型超新星是否真是标准烛光呢?遗憾的是,并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型互相并非完全相同,有的明星光度的变动速度更快一些,有些则更慢一些。然则,马克(Mark)菲利普(Philip)(Philip)s
通过钻研发现,这一个相对亮度更大的影星,其变动速度也屡次更慢。因而使用光变曲线可以修正超新星相对亮度的变迁。

 

此外,对于实际观测的明星,还亟需考虑好多少个其他问题。星际空间存在着尘埃,那些尘埃会吸收光子,使明星变暗。好在这一功力依然得以修正补偿的。尘埃吸收除了使目的变暗外,还会更多接到蓝光而致使目的变红,因而遵照其变红的品位举办修正。问题是,每颗超风尚其自己的水彩其实也并不完全相同。最后,即使自己光谱完全相同的超新星,当它位于不同红移时,用给定波长的滤光片组举行观望时,得到的水彩也是不等同的,还需要对这一功力举行改革。好在这么些效益即使错综复杂,但有规律可循。复旦大学的大学生艾达(Ada)m
Riess
发展了一套数学方法,他意识,利用五个滤光片拍摄的光变曲线数据,经过拨乱反正后,Ia型超新星仍旧得以看成近似的正规烛光的,由此用Ia型超新星举办宇宙学研商是有期待的。实际上,即便到了明天,人们也依旧不完全领悟为啥Ia型超新星经过修正后得以视作这样好的标准烛光。人们很容易想到各个因素,使得Ia型超新星偏离标准烛光,这也是一起首很多天国学家对明星宇宙学感到悲观的由来。可是数据显示Ia型超新星经过修正后实在仍旧不利的正规化烛光,这是大自然给我们的一个惊喜。当然,探讨者们仍在研讨这其间的原因。

 

SCP和High-z这五个小组的竞争特别火爆。到了1997年下半年,他们先导发现,高红移的影星比他们原本预期的要暗。依据哈勃图,这阐明宇宙的膨胀在加快而不是放慢。这是否是由于观测或数量处理上的谬误造成的呢?或者,尘埃吸收等因素考虑得不够周详?经过三番两次检查,1998年10月,三个小组几乎同时发布了和睦的体察结果,SCP组有42颗超时尚数据,High-z
组只有16颗超潮流数据,但每颗的误差要小一些。综上可得,他们一致的下结论是宇宙的膨胀在增速。这一结实轰动了世界。

 

遵照广义相对论理论,假使宇宙由一般的”物质”(包括所谓”暗物质”)组成,其膨胀会逐步减速,这是万有重力的效用。那么什么样解释观测到的宇宙膨胀加速呢?如今主流的讲演是引入”暗能量”的概念。暗能量(dark
energy)一词是美利坚合众国宇宙学家麦克 特纳引入的。它其实也是物质的一种格局,但具有很好奇的性能。比如,它的行之有效”压强”小于0,这一个压强项使时空的弯曲与一般物质导致的时空弯曲相反,因而得以知晓成是与万有重力相对的”斥力”,可以导致宇宙加速膨胀。依照前日对天体微波背景辐射、超新星等尝试数据的拟合阐明,宇宙中大约百分之七十五左右是暗能量,其余还有百分之二十一左右是不发光的暗物质,而我们熟练的通常物质仅占百分之四多或多或少。

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图4:宇宙的组分

 

也有人觉得不需要引入新的物质模式”暗能量”,而是万有重力的法则与我们一般所假如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进而复杂。广义地说,这也得以算暗能量模型。

 

再有个别学者怀疑超新星的体察或数量解析有荒唐,宇宙没有加速膨胀。不过,13年来人们又着眼了重重影星,目前总额有几百颗,对其分析也尤为入木三分,就算还存在诸多问题(比如Ia型超新星爆炸的机理到底是怎么?),但数量本身经过许多不等的天教育家用不同方法的辨析,迄今没有察觉大题目。其次,有人曾提议Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被誉为”轴子”的假想粒子的相互效用而变暗,导致其被误认为是自然界加速膨胀。但是,这种假诺与考察的拟合并欠好。特别是,有的高红移超时尚测量结果表明,宇宙的暴涨并非一向加速,而是先缓一缓再加速,这用上述假说不容易解释,而却正是暗能量理论的断言。

 

暗能量的存在也有部分其他地点的凭据。例如,早在SCP和High-z
小组发布他们的超新星观测从前,有一部分科学家(例如特纳 & Krauss,
Ostriker &
Steinhardt等)依据宇宙年龄、物质密度和功率谱等元素考虑,就以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撑宇宙中设有暗能量的理论。近来,也有少部分观赛,例如强重力透镜的多寡,与基于暗能量理论做出的断言符合得不佳,但这一个观测近日其可靠性本身是比较低的,由此暗能量是为大部分人所接到的模子。

 

大自然的加速膨胀是一个耸人听闻的关键发现,因而其发现者得到诺贝尔(Noble)(Bell)奖也是预料之中的。不过,暗能量的面目仍是一个还未缓解的题目。对这一问题的探讨,也很可能是前景基础物理学发展的突破口。外国有诸多计划中的实验项目,而本国现阶段除外提议多种暗能量的辩护模型外,一些天文学家也结合我国实际,指出了一部分前景的暗能量实验观测计划。例如,在南极冰穹A(这里的考察条件好)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,在南美修建巨型的光谱巡天望远镜等,以及参预部分海外重要实验项目的通力合作。笔者自我近年来也正在推动开展”天籁计划”研商,这是一项在国内地点举办的尝试,研制专用射电望远镜阵列举行巡天观测,利用宇宙大口径结构中的重子声波振荡特征精密探讨暗能量的性质。希望将来我国在这一端的研商中也能做出关键的觉察。

 

 从现年获Noble(Bell)物理奖的探讨工作中,我们能受到如何启示呢?我认为,Schmidt 和
Riess 等人可以凭借温馨的探讨累积,抓住战机,在热烈的竞争中一举冲入探究的超过,其力量和机敏令人钦佩。但更值得沉思和借鉴的是Perlmutter等人的血性始终不渝。作为钻探者,要有信念和勇气在劳苦时坚韧不拔下去,正是这种信心和胆略,使Perlmutter等人在人们大多对明星宇宙学感到悲观时亦可百折不回下去。而美利坚同盟国的捐助机构可以超生退步,看出这一品种的不利价值和团伙职员的力量,保持对这一类别的捐助,也是特别有理念的。有根本革新的科研平日有很大的风险,很难保证完全落实计划的果实。这时应该怎么做?我国现在口头上也经常说扶助探索、宽容败北,但实质上有高风险的钻研计划很难获取帮忙,更不要提迎战败的知晓和姑息了。这说不定是我们所应当深思的。

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