百年征途：人类如何发现暗能量？
来源： 科普中国 发布时间：2022-11-07
从20世纪初到30年代的近三十年时间内，斯里弗（vesto melvin slipher，1875-1969）、勒维特（henrietta swan leavitt，1868-1921）、哈勃（edwin powell hubble，1889-1953）等人的工作导致了一个重要的观测发现：距离越远的星系，退行速度越快，且二者几乎成正比。用速度除以距离，得到的比例常数被称为“哈勃常数”。
而就在哈勃得到这个观测结果之前的2年，即1927年，勒梅特（georges lemaître，1894-1966）就已从爱因斯坦（albert einstein，1879-1955）的广义相对论出发，推导出一个结论：宇宙在膨胀，星系的退行速度与距离成正比。
哈勃的结果让大多数天文学家相信，宇宙确实在膨胀，勒梅特的理论是正确的。
1、宇宙如何膨胀？
此后，天文学家开始考虑一个问题：宇宙的膨胀速度是如何变化的？理论上，宇宙可以匀速膨胀，可以加速膨胀，也可以减速膨胀。但因为宇宙中的物质之间的吸引力，天文学家普遍相信宇宙在减速膨胀。因此他们引入一个“减速因子”来描述宇宙减速。
但是，减速因子需要用观测的结果来计算。必须知道足够远的星系的速度与距离。前者可以用光谱的“红移”来确定，而后者呢？
在哈勃的时代，哈勃与同行用造父变星的“周期-光度关系”（周光关系）来确定含有造父变星的星系的距离。这个原理是勒维特发现的：光度变化周期越长的造父变星，其最亮与最暗时的光度越大，二者的对数符合简单的一次函数关系。
造父变星因此成为“量天尺”。然而，造父变星虽然很亮，但在几千万观念之外就很难被探测到。哪怕是当前最先进的望远镜，也只能找到大约1亿光年（1光年约等于9.46亿千米）之外的造父变星。因此这个方法，无法用来确定更远的星系的距离。
2、ia型超新星：更亮的距离测定器
“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”天文学家终于找到了另一个可以用来测量距离的强有力工具：ia型超新星。
早在1938年，著名天文学家巴德（walter baade，1893-1960）就指出超新星的光度非常高，且最亮时的光度的分布范围比较集中，因此可以用来测出其所在的星系的距离。
1941年，著名天文学家闵可夫斯基（rudolph minkowski，1895-1976）根据超新星的光谱将它们分类为i型与ii型，前者缺乏氢，后者富含氢。
1960年，著名天文学家霍伊尔（fred hoyle，1915-2001）与福勒（william alfred fowler，1911-1995）指出，i型超新星可能由白矮星爆发形成。
1968年，天文学家科瓦尔（charles kowal，1940-2011）首次给出i型超新星可用于宇宙学中的证据，对应的论文成为超新星宇宙学的基础。
1985-1990年之间，天文学家发现i型超新星有不同的起源，因此将来源于白矮星爆炸的归类为ia型超新星，将来源于大质量恒星爆炸的归类为ib与ic型超新星。剔除掉ib与ic型超新星之后，剩下的ia型超新星在最亮时的光度彼此间差异很小。
此后直到1990年中期，多个小组的研究都表明，ia型超新星的亮度差异较小，经过适当修正之后，可作为标准烛光测量遥远宇宙的距离，从而确定宇宙的膨胀模式。
3、从低红移到高红移：加速膨胀的宇宙
从1990年开始，多个针对ia型超新星的巡天项目开始发展起来。其中最重要的有三个小组：calán/tololo超新星巡天（ct）、超新星宇宙学项目（scp）与高红移超新星搜寻团队（hzt）。
ct搜寻低红移的ia型超新星。scp与hzt搜寻高红移的ia型超新星，二者构成竞争关系。
3.1、calán/tololo超新星巡天
1990年6月到1993年11月，位于智利的 cerro tololo泛美天文台（ctio）的天文学家哈姆伊（mario hamuy）、菲利普斯（mark phillips）、森特泽夫（nicholas suntzeff）等人与位于智利大学的天文学家联合执行了“calán/tololo超新星巡天”项目（ct），寻找红移在0.01-0.1之间（距离1.3-13亿光年）的ia型超新星。
我们可以发现，即使其目标的距离的最低值（1.3亿光年）也超过了造父变星可被发现的极限距离（约1亿光年）。
图：ct巡天使用的望远镜。最左边白色圈子里是0.6米/0.9米施密特望远镜的圆顶。下方是0.9米望远镜，负责后续观测；右上方一大一小两个圆顶里面是4米blanco望远镜与1.5米望远镜，负责观测光谱，确定类型。图源：phillips, m. calán/tololo supernova survey. (https://www.slideserve.com/erica/the-cal-n-tololo-supernova-survey)
ct使用的望远镜是ctio的柯蒂斯（curtis）施密特望远镜，其修正镜与球面镜口径分别为0.6米与0.9米，视场为26平方度，相当于130多个满月区域。ct共发现49颗超新星，其中有36颗ia型超新星，后者中的31颗是通过光谱观测与研究确认的。
这些ia型超新星为此后的研究奠定了重要的基础，其中的28颗此后被“哈勃空间望远镜（hst）关键计划”所使用，用于测量哈勃常数。此后scp与hzt都使用了ct的数据作为低红移样本。
为了更精确的测出宇宙减速因子，需要利用高红移ia型超新星测量距离。因此，在ct巡天开始执行前后，针对高红移超新星的两个互相竞争的项目先后成立。第一个项目是1988年创立的“超新星宇宙学项目”（scp），它由帕穆尔特（saul perlmutter）领衔。
3.2、超新星宇宙学项目（scp）
超新星宇宙学项目（scp）主要用ctio的4米blanco望远镜搜寻高红移ia型超新星。这个相机当时搭配了一个名为big throughout的相机，其4块ccd的总像素为1700万，视场为0.06平方度。
在发现超新星后，scp用blanco望远镜等执行后续的亮度观测。对于1997-1998年被发现的一些超新星（如红移为0.83的sn 1997ap），scp团队也用哈勃空间望远镜进行后续的亮度观测。对于它们的光谱的观测，scp发团队使用的是10米口径的keck i与ii望远镜，以及eso的3.6米望远镜。
1996年之前，帕穆尔特以个人名义发布了新发现的17颗超新星，他领衔的scp项目以项目的名义发布了15颗超新星。1996-1998年，scp每年发现的超新星的数目分别为9（年度第2）、48（年度第1）与24（年度第1）。
1998年，scp将该项目发现的42颗高红移ia型超新星与ct发现的低红移ia超新星结合，得到宇宙加速膨胀的结论，相关论文于1998年被公开，1999年被出版。
3.3、高红移超新星搜寻团队（hzt）
scp的竞争对手是“高红移超新星搜寻团队”（hzt），它由澳大利亚国立大学的施密特（brian schmidt）与ct核心成员之一的森特泽夫于1994年建立。后来，当时在加州大学伯克利分校天文系做博士后的里斯（adam riess）成为该小组的另一个核心人物。
hzt也使用blanco望远镜寻找高红移超新星。在发现超新星后，hzt也主要用blanco望远镜等望远镜执行后续观测。对于这些超新星的光谱确认，hzt使用的是keck i与ii望远镜、6.5米多镜面望远镜与eso的3.6米望远镜负责。
从1995年到1997年，hzt每年发现的超新星数目为2、29（年度第1）与40（年度第2）。
1998年，hzt小组将该项目发现的16颗高红移超新星与ct巡天发现的低红移ia超新星，也得到了宇宙加速膨胀的结论。相关论文于1998年被公布，同年被发表。
在使用blanco望远镜寻找高红移超新星的同时，hzt项目组启动并负责“stromlo天文台abell星系团超新星搜寻” 项目。该项目使用stromlo天文台上1.3米口径望远镜，搜寻红移范围在0.02-0.08的南天abell星系团内的超新星。1996-1999年，该每年发现的超新星数目分别是8（年度第5）、16（年度第3）、22（年度第2）与2，累计数目为48。其中，15颗是由光谱研究确定出的ia型超新星。
4、宇宙学常数与暗能量
scp与hzt两个互相竞争的小组几乎同时独立发现了宇宙加速膨胀，形成了互相的支持。为了拟合上数据，必须假设宇宙中存在一种起到排斥力作用的某种东西。
而早在1917年，爱因斯坦用自己创立的广义相对论研究宇宙学时，为了让宇宙保持静止，就已提出“宇宙学常数”这个概念。爱因斯坦认为，宇宙学常数非常小，起到排斥力作用。
scp与hzt的工作使宇宙学常数这个概念死灰复燃。但后续的计算表明，宇宙学常数并不能解释这个神秘的排斥性力量。有人在1998年用“暗能量”（dark energy）这个概念来命名这个神秘的排斥力。
scp与hzt的研究表明，宇宙中的大多数物质是暗能量，它会加速宇宙的膨胀，最终在宇宙诞生几十亿年后战胜了物质之间的相互吸引作用，使宇宙进入加速膨胀状态，并加速膨胀至今。后来的宇宙学观测表明，暗能量占宇宙物质总量的68.3%。
图：当前宇宙中的物质分布。暗能量占68.3%，暗物质占26.8%，普通物质占4.9%。它们之中，暗能量其排斥作用，加速宇宙膨胀；暗物质与物质起吸引左右，减慢宇宙膨胀。图片来源：szczureq
人类还不知道暗能量的本质是什么。至少有几十种模型被提出来，但至今尚无共识。虽然暗能量的本质还不清楚，但它的被确认却依然是宇宙学与物理学的重大突破。
帕穆尔特、施密特与里斯因此分享了2011年的诺贝尔物理学奖。
图：帕穆尔特、施密特与里斯分享了2011年的诺贝尔物理学奖。其中帕穆尔特获得其中1/2，施密特与里斯分别获得1/4。图片来源： https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/summary/
这个突破性的发现也使得ia型超新星成为炙手可热的研究对象。对ia型超新星的更广泛搜寻也直接带动了对其他类型超新星的搜寻，因为超新星在被发现的那个时刻无法被确认光谱类型，只能通过后续的光谱观测来确认类型，这使搜寻超新星的项目不可能只发现ia型超新星。
5、精益求精
在确定宇宙加速膨胀之后，天文学家并未止步于此，而是继续搜寻更多ia型超新星，从而更好地限制了宇宙学参数。这方面有三个项目或望远镜做出了突出的贡献。它们分别是近距离超新星工厂、essence与哈勃空间望远镜。
5.1、近距离超新星工厂
从2002年开始，scp团队启动多个小组合作的近距离超新星工厂（nsnf）项目，致力于搜寻红移介于0.03到0.08（距离介于4到11亿光年）的近距离ia型超新星。
nsnf用“近地小行星追踪”（neat）项目使用的望远镜搜寻超新星。而neat 使用的望远镜中包括奥辛（samuel oschin）望远镜——它的修正镜与球面镜的口径分别为1.22米/1.83米与“陆基深空光电深空监视”（geodss）位于夏威夷haleakala的1台望远镜。
nsnf团队给geodss的那台望远镜搭配了视场为2平方度的相机。奥辛望远镜则从2003年开始搭配8.7平方度视场的quest相机，从而成为nsnf发现超新星的主力。
2002-2003、2005-2008年，nsnf发现的超新星数目分别为37（年度第2）、45（年度第2）、26（年度第4）、72（年度第3）、145（年度第2）与155（年度第1），累计发现480颗超新星，其中200多颗为ia型超新星。
5.2、essence
在scp团队启动nsnf项目的同一年（2002年），hzt的天文学家们启动了essence项目。该项目的全称是“状态方程：超新星追寻宇宙膨胀”（equation of state: supernovae trace cosmic expansion）。
与观测红移低于0.1的ia型超新星为目标的nsnf不同，essence观测红移在0.2到0.8之间的ia型超新星，用以更好地限制暗能量的精确性质。
essence执行周期为5年,它使用的是为发现暗能量立下赫赫战功的blanco望远镜，上面搭配的相机的视场为0.36平方度——接近2个满月视面积。
2002-2004、2006-2007年，essence项目每年发现的ia型超新星的数目分别为18（年度第5）、40（年度第3）、32（年度第3）、55（年度第4）与52（年度第4），总数为197。加上2008年的数据，essence发现并进行了后续观测的ia型超新星的总数达到213，略超过计划中的200。这些超新星的红移在0.1到0.81之间，与计划中的范围符合。
以上只是ia型超新星的数字，其他类型的超新星未被计入。事实上，essence项目还发现了一些其他类型的超新星。例如，该项目在前两年发现并通过光谱观测确认了5颗其他类型超新星。
与essence项目几乎同时启动的是巴塞罗那大学等单位执行的“来自超新星的omega与lambda以及超新星爆发的物理学”项目。该项目用2.54米口径牛顿望远镜执行，致力于寻找红移在0.1-0.4的中等红移的ia型超新星，以填补这个红移范围内的空缺。该项目仅在2002年发现11个超新星（年度第10）。这个项目受到了essence的降维打击，因为essence获得更多得多的中等红移的ia型超新星。
5.3、哈勃空间望远镜
哈勃空间望远镜的主镜面口径为2.4米，但视场很小，如早期的第二代宽场与行星照相机（wfpc2）的视场仅为5.7平方角分，仅为满月的130分之1。 “哈勃”上搭配的其他照相机的视场也普遍是满月视面积的2%左右。因此，“哈勃”适合于后续观测或针对遥远星系逐个扫描。
图：2009年，维修之后被重新放回太空的哈勃。图片来源：nasa
由于“哈勃”在观测高红移超新星时的亮度时特别精确，它在此后被用于搜寻高红移ia型超新星。例如，2002-2005年，“哈勃”上面新装的高级巡天相机（acs）执行参与多个望远镜联合的“大型天文台宇宙起源深度巡天（goods）”项目，扫描指定天区。
goods项目的重要的副产品是发现超过60颗超新星（2002年发现32颗超新星，年度第3），其中大部分被确认为ia型超新星，更有一部分的红移超过1。这些高红移ia型超新星也支持了加速膨胀宇宙模型。1999-2016年，hst共发现115颗超新星。
图：hst观测到的高红移超新星（橙色实心圆点）的红移与距离模数的关系，进一步支持了加速膨胀的宇宙学模型。图片来源：riess et al. 2007， the astrophysical journal, 659，98
6、总结
在过去几十年中，发现、确认、研究ia型超新星并将其标准化，用来测量星系距离的系列项目获得了重大成功。这些项目不仅导致了暗能量被发现、形成宇宙学与物理学的重大突破，也有力促进了各种超新星搜寻项目的发展。
将来人类将会在现在的基础上，通过更强大的望远镜的观测与更精深的理论研究来继续深化这方面的认识，并有望最终破解宇宙的最重大秘密秘密之一——暗能量的本质。
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