宇宙真的在加速膨脹

科技 11-01

阿盟說

上周，阿盟與大家分享的精彩動畫和圖文提到了宇宙的加速膨脹，在也分享了牛津教授對宇宙加速膨脹的質疑。近日，又有科學家發布新研究支撐宇宙加速膨脹理論了。理論就是在不斷的爭鳴中逐步修正和完善的。

想要系統地了解這些爭論究竟是怎麼一回事兒？今天，阿盟為大家準備了一篇文章，讓我們系統地看一下關於這一理論的研究梳理。

宇宙真的在加速膨脹

摘要

早在1912年至1929 年的十幾年間，美國天文學家斯里弗與哈勃及其助手赫馬遜就先後發現了宇宙膨脹的強有力證據。然而，宇宙的膨脹是加速的、勻速的、還是減速的，一直難有定論。直到 1998 年，才有兩個小組分別獨立地給出「宇宙加速膨脹」的證據。導致加速膨脹的神秘力量就是後來廣為人知的「暗能量」。

2015 年 6 月 3 日，有一個研究小組根據新的統計研究，質疑了「宇宙加速膨脹」的結論，最近發表於《科學報告》雜誌，這是一個反轉，引起了廣泛注意，多個國內公眾號翻譯了相關新聞。然而，2016 年 10 月 28 日，另一個小組的研究對這個質疑進行了否定，認為之前那個研究有錯誤，宇宙確實就是在加速膨脹，可謂「反轉再反轉」。本文簡單介紹與研究宇宙膨脹有關的歷史、最新的進展與爭論。

宇宙膨脹的發現與宇宙大爆炸理論??

許多人都知道，偉大的天文學家哈勃（Hubble）於 1929 年就發現星系（當時還是被叫做「星雲」）距離我們越遠，退行地越快，具體說，退行速度與距離成正比。

其實，早在哈勃公布結果之前十幾年（1912 年，1914年，1915年），同為美國天文學家的斯里弗（Slipher）就公布了他發現的星系退行導致的譜線紅移現象。但哈勃探測到更遠的星系，且得到明確的規律，所以斯里弗不幸得被大多數大眾甚至很多天文學史研究者所忽略。哈勃能夠觀測到更遠得多的星系，除了自身的高超技巧之外，還得益於他的得力助手赫馬遜（Humason）。正因為如此，公正地說，發現星系退行（宇宙膨脹）的榮譽實際上屬於斯里弗，斯里弗是發現者，哈勃與赫馬遜是發展者。

宇宙真的在加速膨脹

首次發現星系退行（宇宙膨脹）的斯里弗（來源：wiki百科）

宇宙真的在加速膨脹

給出星系退行與距離關係的哈勃

儘管哈勃終其一生都沒有明確表示過這是宇宙膨脹的結果，但其他科學家卻認為這是宇宙膨脹的直接結果。既然宇宙在膨脹，反推回去就知道，宇宙曾經很小。所以荷蘭的天體物理學家兼神父勒梅特就提出宇宙起源於一個「原子」的假說。

20 世紀 40 年代後期，伽莫夫（Gamow）與合作者阿爾夫（Alpher）、貝特（Bethe）、赫爾曼（Herman）等人正式提出了宇宙大爆炸理論，定量計算了一些重要的結果，比如宇宙中氦原子丰度約為 25%（與觀測符合）、殘留的微波背景輻射溫度約為 5-10K（1965 年被觀測證實，真實值約為 3K），等等。

在微波背景輻射被觀測證實之後，宇宙學迅速成為主流學科。結合現在的精確宇宙學的觀測，可以推斷出：宇宙源於大約 138 億年前的一次大爆炸，然後開始膨脹。

宇宙加速膨脹的確認

雖然大家都承認宇宙在膨脹，但宇宙的膨脹是加速的、還是勻速的、還是減速的？這個問題一直難有定論，因為這需要觀測很遠的距離，才可以得到確切的結論。而問題就出在：當距離很遠時，到底該用什麼來確定精確的距離？造父變星雖然可以測距，但它們畢竟只是恆星，其亮度達不到這個超遠測距的要求。

大約在上世紀60年代，天文學家意識到 Ia 型超新星可以作為更遠距離的「量天尺」，因為它們最亮時比造父變星亮得多；而且它們大多數源自白矮星爆炸，而白矮星的質量比較固定（不超過 1.4 個太陽），爆炸合成的放射性物質的量也比較固定，所以最亮時的亮度也差不多。當然，有些 Ia 型超新星來自雙白矮星併合，這種特別亮的 Ia 型超新星在樣本分析時會被作為雜質清除掉。

在上世紀80年代末到90年代初，有兩個小組分別啟動了高紅移超新星的觀測。第一個小組是 Perlmutter 領導的「超新星宇宙學項目（the Supernova Cosmology Project，SCP）」，於1989年啟動。另一個小組為「高紅移超新星探測組（High-Z Supernova Search team，HZSST）」，有 3 個主要領袖，分別是 Schmidt 、Riess 與 Filippenko。1994 年，Schmidt 啟動了這個項目，在澳大利亞負責東半球夜晚的觀測，而 Riess 等人在美國負責西半球夜晚的觀測。

這裡先簡單介紹一下這兩個小組的 4 位大佬。（1）、Perlmutter 於 1959 年出生於生於美國伊利諾伊州厄本那市，1981 年畢業於哈佛大學，1986 年在加州大學伯克利分校獲得博士學位；（2）、Schmidt 於 1967 年生於美國蒙大拿州密蘇拉市，1989 年畢業於亞利桑那大學，1993 年在哈佛大學獲得博士學位，後來到澳大利亞國立大學工作；（3）、Riess 於 1969 年底生於華盛頓，1992 年畢業於麻省理工學院，1996 年在哈佛大學獲博士學位，導師是著名的超新星專家 Kirshner，博士畢業後，到加州大學伯克利分校當博士後，導師是著名的超新星專家 Filippenko；（4）、Filippenko 於 1958 年出生於美國加利福尼亞州奧克蘭市，1979 年在加州大學聖芭芭拉分校畢業，獲得學士學位，1984年獲得加州理工學院博士學位，此後兩年為加州大學伯克利分校的 Miller Fellow（根據他的簡歷，我推測這兩年他是享有 Miller Fellow 的博士後），然後在加州大學伯克利分校工作至今，他不僅是超新星領域的世界領袖之一，同時是著名的科普作者（卡爾薩根科普獎得主）與教師（多次被學生評為「伯克利最佳教授」）。

這兩個小組的觀測需要克服兩方面的困難。第一個困難是：雖然Ia型超新星最亮時的亮度比較一致，但依然有一些差異；第二個困難是要觀測儘可能遠的超新星，以獲得儘可能可靠的結果。

對於第一個困難，有人發現：越亮的 Ia 型超新星，其光變曲線越寬（Philips 關係），因此可以定義一個標準的亮度與寬度，等比例縮小或放大亮度與寬度，使其寬度與標準寬度相同，則其亮度也就與標準亮度差不多相同。這樣得到的光變曲線就驚人地相似，可以作為標準燭光。

下圖就是將超新星校正為標準燭光的這個方法的圖。其中，上圖表示實際上觀測到的 Ia 型超新星的峰值亮度，它們依然存在較大的差異；下圖表示將延展因子（stretch-factor） s 都調整到 1，對應的峰值亮度就高度集中，再經過去紅化的程序，得到的差異很小，可以作為標準燭光。這只是修正的方法之一，真正的修正方法有很多種。上面說的兩個小組的天文學家的任務就是觀測盡量多高質量的 Ia 型超新星，然後修正為標準燭光，測定對應的距離。

宇宙真的在加速膨脹

圖取自：Perlmutter 等人(astro-ph/9812473)

第二個困難可以可以用強大的哈勃太空望遠鏡的觀測來克服。Riess 在小組中的的主要工作就是用哈勃太空望遠鏡觀測那些非常遠的 Ia 型超新星，這些超新星是 100 多億年前爆發之後經歷 100 多億年才將光傳播到地球上，只有極為強大的光學望遠鏡才可以觀測到它們。說句題外話：當年設計哈勃太空望遠鏡的科學家們根本不會料到後來人們居然用它尋找遠距離 Ia 型超新星並研究宇宙膨脹的速度變化。

1998年，這兩個小組分別在網上公布了各自的結果。其中 Riess、Filippenko、Schmidt 等人的小組的結果在 1998 年發表於美國天文學會的《天文學雜誌》（AJ），而 Perlmutter 等人的小組的結果於 1999 年發表於美國天文學會的《天體物理學雜誌》（ApJ）。

這兩個小組的研究都表明：那些作為標準燭光的超新星比起假定宇宙勻速膨脹的情形下要暗，因此也就更遠，大概遠 10%-15%，這意味著宇宙不是勻速膨脹，而是在加速膨脹。

順便說三點：1、Riess、Filippenko 在論文發表時在加州大學伯克利分校天文系，Schmidt 在澳大利亞國立大學， Perlmutter 當時在勞倫斯伯克利國家實驗室（由加州大學伯克利分校託管）與加州大學伯克利分校粒子天體物理中心；2、這兩個小組是競爭關係，但 Filippenko 卻在兩個小組中都署名，同時屬於兩個小組，這是唯一的一個；3、1999 年，Riess 到位於約翰·霍普金斯大學的太空望遠鏡科學研究所（the Space Telescope Science Institute），一直到現在，而 Schmidt、Filippenko 與 Perlmutter 則一直到現在都還在原來的單位。

導致宇宙加速膨脹的力量是什麼？此後的科學家們稱這個神秘的力量為「暗能量」。暗能量的發現引發了物理學與天文學的一場革命，是一個具有基礎性作用的重大突破，當年就被 Science（《科學》）雜誌評為年度突破性進展（Breakthrough of the Year）。

2006 年，Riess、Schmidt 與 Perlmutter 被授予邵逸夫獎（Shaw Prize），這個獎項被稱為「東方諾貝爾獎」，獲獎者都是世界上非常傑出的科學家。

2007 年，這個項目獲得宇宙學最高獎――格魯伯宇宙學獎（Gruber Prize in Cosmology）。

2011年10月4日，Riess、Schmidt 與 Perlmutter 獲得了諾貝爾物理學獎：第一個小組的 Riess 與 Schmidt 一起分享了一半獎金（因此也就是各自四分之一）；第二個小組的 Perlmutter 分享了另外一半獎金（因此是二分之一）。遺憾的是，Filippenko 與諾貝爾獎擦肩而過了，這個悲劇在邵逸夫獎頒發時就埋下了根。

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2011年諾貝爾物理學獎得主（來源：諾貝爾獎官網）

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與諾貝爾獎失之交臂的 Filippenko（來源：wiki百科詞條）

現在宇宙學的觀測表明，宇宙中物質僅占 5%，暗物質占 27%，而暗能量占 68%。暗能量與物質、暗物質的一個非常大的差異就是：它起排斥作用而且平均密度不變，相比之下，物質與暗物質是起吸引作用而且隨著宇宙的膨脹，平均密度降低。

根據當前宇宙學的標準圖景，早期的宇宙，物質與暗物質佔據優勢，暗能量處於弱勢，宇宙的膨脹是減速的；隨著宇宙膨脹，物質與暗物質的平均密度降低，但暗能量密度不變，到宇宙年齡大約為 50 億時，暗能量開始佔據優勢，宇宙開始加速膨脹，然後加速越來越猛烈。今後宇宙將如同脫韁的野馬，無法拉回，而是走向大撕裂。

Ia?型超新星樣本的擴大：JLA??

在1998年公布的那個重要工作之後，搜尋 Ia 型超新星的熱度保持不減，可以說是方興未艾。當前搜集的Ia型超新星的數據，由近到遠分別為：臨近超新星巡天（Nearby）、斯隆數字巡天（SDSS）、超新星遺產巡天（SNLS）與哈勃太空望遠鏡（HST）。

分析需要將這四個不同距離的樣本結合為一個樣本。這個方法就是「聯合光變曲線分析」（Joint Light-curve Analysis ），英文縮寫為 JLA。JLA 包含了最新、最大的 Ia 型超新星樣本（當前的樣本包含了全世界的觀測組發現的 Ia 型超新星總數的大約 60%）。如下圖就結合了四個遠近範圍不同的樣本，其中橫坐標代表紅移大小（紅移越大，距離越大），縱軸代表延伸因子。

宇宙真的在加速膨脹

來自Rubin與Hayden的論文（2016.10.28）

Nielsen、Guffanti 與 Sarkar 等人的論文：質疑加速膨脹?

宇宙加速膨脹以及暗能量的存在性的結論在此後又被其他方法所驗證，比如重子聲波振蕩（BAO）等等。所以這個結論基本上被視為明確無誤的結論。

但是，2015 年 6 月 3 日，丹麥尼爾斯玻爾國際科學院的 Nielsen、義大利都靈大學的 Guffanti 與英國牛津大學的 Sarkar 在 arxiv 網上公布了新的統計研究，質疑了「宇宙加速膨脹」的結論，論文最近發表於《科學報告》雜誌（Scientific Reports）。文章最新版本的預印本鏈接為：https://arxiv.org/abs/1506.01354。文章的通訊作者是牛津大學的 Sarkar。這篇文章在去年就已經公布，但直到最近出版了才與媒體聯繫宣傳，這是因為：同行審議的論文，一般要等到被接受發表或者正式發表之後再宣傳，才更嚴肅一些。

不過有意思的是，幾乎所有相關報道都提到，《科學報告》雜誌是《自然》出版集團旗下的雜誌（這是因為新聞的源頭就已指出，此後的其他類似轉載、翻譯與介紹都繼承了這個表述）。聽上去挺唬人的。不過實際情況是：這個雜誌雖然和《自然》及其子刊都屬於《自然》出版集團，但卻與《自然》及其子刊差得遠了。它的影響因子為 5.228，《自然》在 20 以上。作為比較，《天體物理學雜誌》的影響因子為 5.993。有些人投《自然》或者《自然》子刊，編輯部拒絕的時候會建議轉投《自然》出版集團旗下的《科學報告》。所以別被嚇唬到。

這麼分析，不是為了貶低《科學報告》這個雜誌與這篇論文（因為好的論文就算髮在影響因子相對低的雜誌，也依然是好的論文，甚至是可以得到諾貝爾獎的論文，比如《天體物理學雜誌》上的論文就有好幾篇得了諾獎），而是為了破除迷信與誤解，以平常心看待這個雜誌，不要因為覺得這個雜誌很權威而在主觀上偏向相信這篇文章的結論。

說了這麼多，現在簡單說說這篇論文到底說了啥。這篇文章分析了 JLA 提供的樣本里的 740 顆 Ia 型超新星，樣本更大（作為對比，1998 年宣布宇宙加速膨脹的兩個小組，用到的樣本都只含有幾十個 Ia 型超新星）。這裡省去技術性的討論。根據分析，作者們認為，根據更大的樣本的分析，宇宙加速膨脹的置信度不足 3 sigma，而科學發現的置信度要達到 5 sigma，所以加速膨脹的證據不足，宇宙可能是勻速膨脹的。

這個結論是一個反轉，因此引起了一些注意。我一開始就懷疑這篇文章的結論。然而我不是搞觀測與分析的，也只能是懷疑懷疑而已。

但必須說明的是，Sarkar 在新聞採訪中，以粒子物理中的標準作為基準，認為 3 sigma 不足為信，必須要 5 sigma。然而天體物理與粒子物理用的不是一個標準。粒子物理中，要判斷一個新的粒子，需要 5 sigma的置信度，是因為對撞機產生了巨大數量的粒子，絕大多數為一經發現的粒子，這些粒子與可能的新粒子都會迅速衰變，探測器探測到的都是衰變多次之後的產物，因此數據分析必須進行「事件重構」來判斷出最初被撞擊出來的粒子，這個過程非常複雜而且雜訊非常大，所以要 5 sigma。而天體物理中，判斷是非或者發現新的現象，遠沒有粒子物理中那麼複雜，因此不適宜套粒子物理的標準。

當然，當年 Riess 小組確認暗能量存在的置信度達到了 7 sigma，Perlmutter 小組的結果的置信度差不多。

Rubin 與 Hayden 的論文：支持加速膨脹

2016 年 10 月 28 日，佛羅里達州立大學物理系、勞倫斯伯克利國家實驗室的 Rubin 與勞倫斯伯克利國家實驗室的 Hayden 在 arxiv 網上發布最新論文（文章鏈接為：https://arxiv.org/abs/1610.08972），對上述三個作者的論文進行了否定。

Rubin 與 Hayden 的論文標題是 Is the expansion of the universe accelerating? All signs point to yes （《宇宙膨脹正在加速嗎？所有的信號都指向了：是》）。這篇文章投稿到《自然》，能不能發表於這個雜誌，還要繼續觀望。

這篇文章用同樣的樣本（JLA 樣本）進行分析，得到宇宙加速膨脹的置信度是 4.2 sigma。他們認為，之前的質疑加速膨脹的論文的分析中存在錯誤。

這篇文章的作者認為，之前論文的作者的這個錯誤降低了置信度，而他們的分析則大大提高了置信度，因此宇宙加速膨脹的結論是可靠的。

結論

本文的結論就是：最近的兩個小組誰對誰錯，還需要看更多分析。現在，我們只需要冷靜等待結果即可。由於還沒有定論，所以，宇宙依然可能是加速膨脹的。而且其他證據（如重子聲波振蕩）都支持暗能量的存在，所以宇宙加速膨脹的概率依然很大。

備註：

本文對於較早的歷史人物採用「首次出現用中文譯名+英文名，此後用中文名」的標記方法，對現在還活著的人直接用英文名，當然，其實是姓。

原創文章首發於唧唧堂，經授權轉載

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