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2021诺贝尔物理学奖：宇宙的膨胀速度

2021诺贝尔物理学奖授予了三位出色的天体物理学家：

索尔·珀尔马特(SaulPerlmutter)、布莱恩·施密特

(BrianP.Schmidt)和亚当·黎斯(AdamG.Riess)。他们对超

新星进展了系统的观测，发现宇宙正在加速膨胀。这一发现

意义深远，多年来他们一直是获奖的热门人选。

这是宇宙学领域第三个诺贝尔物理学奖。1929年，美国天文

学家哈勃利用当时世界上最大的望远镜——加利福尼亚威

尔逊山望远镜，首先发现了星体间间隔在不断变大，由此

提出了宇宙膨胀理论。根据这一发现，俄罗斯天体物理学家

伽莫夫提出了大爆炸理论，认为宇宙诞生于约140亿年前，

宇宙从一个极小体积、极高密度的点猛烈地向外膨胀，像发

生了一次超级大爆炸。

大爆炸理论此后被很多不同类型的天文观测所证实。不过，

多年来，物理学界一直认为宇宙膨胀的速度是恒定的，或者

是越来越慢的；直到这三位物理学家开场了对超新星的观

测。

超新星现象

1934年，天才天文学家茨维基等人提出超新星的概念，他们

猜测，当大质量的恒星演化到其生命的晚期时，内部的核燃

料消耗殆尽，恒星从中心开场冷却，没有足够的力量与引力

对抗，整个星体向中心坍缩，坍缩时表层被迅速加热，发生

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剧烈的爆炸，这就是超新星现象。

在中国历史上，超新星爆发通常预示着兵祸和天灾，或者皇

帝驾崩，是历朝皇帝极为重视的稀有异常天象。从汉朝以来

的2021多年里，最壮观的超新星爆发只有六七次。北宋景

德年间，公元1006年5月1日凌晨，南方天空中豺狼座位

置上突然出现一颗很亮的恒星，亮度接近半个月亮，在它的

光照下无月的夜间也可以看清东西。其后三个月夜夜可见，

三个月后变暗。这是人类有文字记录以来最亮的超新星爆

发，天文学上称这次超新星为SN1006，它离地球大约7200

光年远。

由于超新星很亮，在极远的地方都能看到，所以可用来研究

宇宙学。对宇宙学最有用的超新星是Ia型超新星，由于物

理上的原因，这类超新星在爆发时的质量一样，因此它们的

绝对亮度总是固定的，大约为太阳亮度的50亿倍。超新星

离地球越远，它的视觉亮度就越低，根据这一关系，可以把

Ia型超新星当作“标准烛光〞来使用：根据观测到的超新星

的视觉亮度，可以反推它到我们的间隔。随着宇宙的膨胀，

星体发出的光的波长会变长，在物理学上这叫做红移。红移

的大小与星体的间隔大致成正比，这就是著名的哈勃定律，

宇宙学这一学科就是从哈勃的天文观测开场开展起来的。

如何观测超新星？

此次获奖的三位天体物理学家所做的工作是哈勃最早的观

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测的准确化。他们用最先进的天文观测工具观测了约60颗

Ia型超新星，在地球上测量超新星的亮度和光线的红移，绘

制出间隔-红移关系图(俗称哈勃图)，由这些哈勃图可以算

出很多宇宙学参数，比方宇宙的年龄、膨胀情况等。有了哈

勃图，人们终于能答复自古以来一直在追问的问题：宇宙是

什么样的？它是如何形成的？它将如何演化下去？

虽说这一观测从原理上很简单，但实际操作起来并不容易。

一个主要原因是大多数超新星离地球太远，极为微弱，很难

分辨。

为发现超新星，一般要用数码摄像头对天空进展两次拍照，

比拟不同时刻某一天区的照片，用前一时刻的照片减去后一

时刻的照片，从两者的区别中发现可能变亮的待选目的。第

一张照片在新月之后拍摄，第二张照片那么要在3个星期之

后，抢在月光把星光吞没之前拍摄。

值得注意的是，这些待选目的中有的可能并非超新星，而是

其他天体，比方偶然运动到这一区域的太阳系小行星。排除

这些干扰之后，再用大型光学望远镜对这些目的进展细致的

观测，所有测量需要在超新星变暗之前迅速完成。

这是一项困难的任务。虽然从上世纪八十年代起就有多个小

组在进展这类观测，但未能获得很多有效结果，这可能与望

远镜观测时间分配有关。大型天文望远镜的观测时间通常要

申请，一般来说，大型天文望远镜的观测时间分配表早在半

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年或一年前就已经定下来。

在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia