《一路走来的宇宙 15》

以前阐述过，II型超新星爆发是大质量恒星演化到红超巨星，再在坍缩之后的终极行为。宇宙中还有一类Ia型超新星爆发。设想一个双星系统。其中一个是碳氧白矮星，而另一个可能是红巨星。白矮星从伴星不断地吸收物质。当白矮星的质量刚过1.4个太阳质量的钱德拉塞卡极限时，电子简并压不再能承受引力的重压。白矮星在坍缩时激发内部的核反应。碳元素在短短几秒钟之内迅速地聚合。一系列失控的核聚变反应产生大量的能量。高动能的物质瞬间喷发出来而形成超新星爆发。正因为这个机制，Ia型超新星都有固定的质量，产生同等的能量，所以绝对亮度也一样。Ia型超新星就是宇宙中很好的标定物。通过表观亮度的测量，我们就能知道它的距离。在天文观测中，较小尺度的距离测量依靠视差法。大些尺度的测量可以通过造父变星等变星的周光关系。在更大的宇宙尺度上，我们就可以依靠Ia超新星爆发。

二十世纪的九十年代，有两个研究小组从事同一项天文观测。一个是珀尔马特领导的超新星宇宙学项目小组，另一个是施密特和里斯牵斗的追踪高红移超新星项目小组。两个小组的重要实验观测部分都要通过哈勃空间望远镜。如何争取到哈勃望远镜上的观测时间一直是两个小组较劲的事情。就是在这种即竞争又合作的情况下，两个小组在1998年的几乎同一个时间发表了Ia超新星的观测和计算结果。远距离的超新星毫无疑问地远离我们。但是，超新星的实际观测距离大于由红移量推算出来的理论距离。珀尔马特，施密特和里斯由此发现宇宙正在加速膨胀。物质的引力作用只能让宇宙膨胀变得缓慢。这个结果意谓着宇宙中存在一种暗能量促使宇宙的膨胀。爱因斯坦广义相对论场论里的宇宙学常数又复活了。一般认为，暗能量就是宇宙的真空能。

现在，我们可以构建宇宙的标准模型和描述宇宙的历史。决定宇宙膨胀的因素有物质密度，光子辐射密度，时空曲率密度和真空能密度。在宇宙的最早期，辐射占主导地位。随着宇宙的膨胀，辐射密度，物质密度和时空曲率密度都在降低。但是辐射密度较大降低比物质密度要快。在物质复合时期之后，物质开始占主导地位。物质在弱辐射背景下发生电离化过程，聚集形成恒星，星系和更大尺度的结构。这时的宇宙膨胀在物质引力作用下减缓。到了宇宙诞生后的九十亿年，物质密度降低。而暗能量密度，也就是宇宙真空能密度因为与宇宙的大小无关而没有变化，所以相对影响力超过物质。宇宙又开始加速膨胀。到了2015年，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克卫星相继完成了多年的哈勃常数测定和宇宙背景辐射的精细观测。再结合宇宙大尺度的红移巡天观察，我们知道宇宙的年龄有一百三十八亿年。普通物质仅仅只占宇宙中所有质能的4.8%。暗物质有25.8%，是普通物质的五倍。大尺度上暗物质的分布类似于普通物质。暗能量占比高达69.2%。现在，辐射能已经相对很小了。我们认知的窘境是对宇宙中绝大多数的物质和能量知之甚少。WMAP测定出宇宙的时空曲率非常接近于零。宇宙几乎是平坦的，证实了宇宙暴胀的可能性。另外，WMAP提供的数据显示宇宙中微子背景的存在，为以后的宇宙学研究打开了一扇窗。

--写于2022年9月8日（图片来自网络）