超新星:宇宙膨胀加速的风向标

实际上,宇宙正在加速膨胀。由于空间膨胀无处不在,因此这种加速不仅仅见于宇宙边缘的星系,而是遍布于宇宙的每一个角落。

既然膨胀是一种率(就像速度那样),那么膨胀的变化就是膨胀变化率,或者膨胀加速度。因此我们可以说宇宙正在经历着加速膨胀。类似的学说实际上在20世纪90年代末期和本世纪初才被逐渐被提出,所以这是一门新的但并不是全新的学说。研究这方面的项目有超新星宇宙学计划、高红移超新星搜索队,以及超新星遗痕统计等。


超新星:宇宙膨胀加速的风向标


可能很多人都听说过暗能量,这实际上与宇宙加速膨胀是一回事:宇宙的加速膨胀是暗能量存在的证据。科学家通过“标准烛光”来确认暗物质的存在。“标准烛光”是一种天文学物体,它具有一种特性:即使距离很远,我们仍能确定其总发光度。因为我们测得的总发光度与物距有关,所以“标准烛光”可以用于确定天体距离我们的距离。你可以自己进行一个实验:已知一个功率为60瓦的灯泡所辐射的能量,我们可以通过接收并测量穿过一间房子后灯光的辐射量并将其与已知辐射量进行对比,就可以计算得出我们和灯泡距离。


超新星:宇宙膨胀加速的风向标


天文学家们可以利用“标准烛光”来确定天体(例如星系)的距离。我刚才提到的那些宇宙计划就在做这项工作。通过测量Ia超新星,天文学家已确认了银河系的大小及其红移。“红移”可以表明光离开超新星后宇宙膨胀了多少。天文学家便可以将宇宙大小与膨胀作比对,进而提出宇宙的“膨胀史”。


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而这些结果则表明宇宙正在加速膨胀!

那么为什么这会引出“暗能量”的概念呢?因为宇宙的加速膨胀就意味着宇宙在变得越来越大。但重力是一种引力,那么你同样可以认为宇宙也会变得越来越小。即重力会将宇宙重新“拉”回到一起。而如果宇宙要持续扩张,并且还扩张得越来越快的话,那么说明一定存在某种力量或者压力将其“推”开。这便是所谓的暗能量。许多观测暗能量的观测结果都一致,所以超新星的数据实际上很了不起,因为它提供了一种核验其他团队结论的新标准。


超新星:宇宙膨胀加速的风向标


宇宙膨胀是指宇宙中两点的距离随时间而增加。这是一种内源性膨胀,因此其空间规模会改变。但宇宙不会膨胀“入”任何物体内部,也不需要空间来置身其“外”。严格来讲,空间和空间内的物体都不会移动。相反,是衡量时空尺度和几何形态的度量衡本身发生了变化。尽管时空中光与物的运动速度不会超过光速,但这种限制不会限制度量衡本身。对于一个观察者来说,似乎是空间在膨胀,除了最近的星系外,其余星系都在退向远方。


超新星:宇宙膨胀加速的风向标


在大爆炸之后大约10^-32秒,宇宙迅速膨胀,进入膨胀阶段,其体积以至少10^78(即三维空间每个方向的范围以至少10^26的数量级在增大)的数量级在增大,相当于将1纳米(10^-9米,大约是DNA分子宽度的一半)长的物体扩大到大约10.6光年(大约10^17米或者六万二千亿英里)那么长。继而空间的膨胀逐渐慢下来,直到大爆炸后的98亿年(40亿年前),宇宙膨胀又逐渐变快,直至现在。


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从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Ann Martin- curious.astro.cornell

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