超新星:宇宙膨脹加速的風向標

實際上,宇宙正在加速膨脹。由於空間膨脹無處不在,因此這種加速不僅僅見於宇宙邊緣的星系,而是遍佈於宇宙的每一個角落。

既然膨脹是一種率(就像速度那樣),那麼膨脹的變化就是膨脹變化率,或者膨脹加速度。因此我們可以說宇宙正在經歷著加速膨脹。類似的學說實際上在20世紀90年代末期和本世紀初才被逐漸被提出,所以這是一門新的但並不是全新的學說。研究這方面的項目有超新星宇宙學計劃、高紅移超新星搜索隊,以及超新星遺痕統計等。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


可能很多人都聽說過暗能量,這實際上與宇宙加速膨脹是一回事:宇宙的加速膨脹是暗能量存在的證據。科學家通過“標準燭光”來確認暗物質的存在。“標準燭光”是一種天文學物體,它具有一種特性:即使距離很遠,我們仍能確定其總髮光度。因為我們測得的總髮光度與物距有關,所以“標準燭光”可以用於確定天體距離我們的距離。你可以自己進行一個實驗:已知一個功率為60瓦的燈泡所輻射的能量,我們可以通過接收並測量穿過一間房子後燈光的輻射量並將其與已知輻射量進行對比,就可以計算得出我們和燈泡距離。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


天文學家們可以利用“標準燭光”來確定天體(例如星系)的距離。我剛才提到的那些宇宙計劃就在做這項工作。通過測量Ia超新星,天文學家已確認了銀河系的大小及其紅移。“紅移”可以表明光離開超新星後宇宙膨脹了多少。天文學家便可以將宇宙大小與膨脹作比對,進而提出宇宙的“膨脹史”。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


而這些結果則表明宇宙正在加速膨脹!

那麼為什麼這會引出“暗能量”的概念呢?因為宇宙的加速膨脹就意味著宇宙在變得越來越大。但重力是一種引力,那麼你同樣可以認為宇宙也會變得越來越小。即重力會將宇宙重新“拉”回到一起。而如果宇宙要持續擴張,並且還擴張得越來越快的話,那麼說明一定存在某種力量或者壓力將其“推”開。這便是所謂的暗能量。許多觀測暗能量的觀測結果都一致,所以超新星的數據實際上很了不起,因為它提供了一種核驗其他團隊結論的新標準。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


宇宙膨脹是指宇宙中兩點的距離隨時間而增加。這是一種內源性膨脹,因此其空間規模會改變。但宇宙不會膨脹“入”任何物體內部,也不需要空間來置身其“外”。嚴格來講,空間和空間內的物體都不會移動。相反,是衡量時空尺度和幾何形態的度量衡本身發生了變化。儘管時空中光與物的運動速度不會超過光速,但這種限制不會限制度量衡本身。對於一個觀察者來說,似乎是空間在膨脹,除了最近的星系外,其餘星系都在退向遠方。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


在大爆炸之後大約10^-32秒,宇宙迅速膨脹,進入膨脹階段,其體積以至少10^78(即三維空間每個方向的範圍以至少10^26的數量級在增大)的數量級在增大,相當於將1納米(10^-9米,大約是DNA分子寬度的一半)長的物體擴大到大約10.6光年(大約10^17米或者六萬二千億英里)那麼長。繼而空間的膨脹逐漸慢下來,直到大爆炸後的98億年(40億年前),宇宙膨脹又逐漸變快,直至現在。


超新星:宇宙膨脹加速的風向標


從大爆炸形成的宇宙演化圖解(左)。在這幅圖中宇宙以二維呈現,第三維度是時間,向右是時間流動的方向。

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Ann Martin- curious.astro.cornell

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