《一路走來的宇宙 15》

以前闡述過，II型超新星爆發是大質量恒星演化到紅超巨星，再在坍縮之後的終極行為。宇宙中還有一類Ia型超新星爆發。設想一個雙星係統。其中一個是碳氧白矮星，而另一個可能是紅巨星。白矮星從伴星不斷地吸收物質。當白矮星的質量剛過1.4個太陽質量的錢德拉塞卡極限時，電子簡並壓不再能承受引力的重壓。白矮星在坍縮時激發內部的核反應。碳元素在短短幾秒鍾之內迅速地聚合。一係列失控的核聚變反應產生大量的能量。高動能的物質瞬間噴發出來而形成超新星爆發。正因為這個機製，Ia型超新星都有固定的質量，產生同等的能量，所以絕對亮度也一樣。Ia型超新星就是宇宙中很好的標定物。通過表觀亮度的測量，我們就能知道它的距離。在天文觀測中，較小尺度的距離測量依靠視差法。大些尺度的測量可以通過造父變星等變星的周光關係。在更大的宇宙尺度上，我們就可以依靠Ia超新星爆發。

二十世紀的九十年代，有兩個研究小組從事同一項天文觀測。一個是珀爾馬特領導的超新星宇宙學項目小組，另一個是施密特和裏斯牽鬥的追蹤高紅移超新星項目小組。兩個小組的重要實驗觀測部分都要通過哈勃空間望遠鏡。如何爭取到哈勃望遠鏡上的觀測時間一直是兩個小組較勁的事情。就是在這種即競爭又合作的情況下，兩個小組在1998年的幾乎同一個時間發表了Ia超新星的觀測和計算結果。遠距離的超新星毫無疑問地遠離我們。但是，超新星的實際觀測距離大於由紅移量推算出來的理論距離。珀爾馬特，施密特和裏斯由此發現宇宙正在加速膨脹。物質的引力作用隻能讓宇宙膨脹變得緩慢。這個結果意謂著宇宙中存在一種暗能量促使宇宙的膨脹。愛因斯坦廣義相對論場論裏的宇宙學常數又複活了。一般認為，暗能量就是宇宙的真空能。

現在，我們可以構建宇宙的標準模型和描述宇宙的曆史。決定宇宙膨脹的因素有物質密度，光子輻射密度，時空曲率密度和真空能密度。在宇宙的最早期，輻射占主導地位。隨著宇宙的膨脹，輻射密度，物質密度和時空曲率密度都在降低。但是輻射密度較大降低比物質密度要快。在物質複合時期之後，物質開始占主導地位。物質在弱輻射背景下發生電離化過程，聚集形成恒星，星係和更大尺度的結構。這時的宇宙膨脹在物質引力作用下減緩。到了宇宙誕生後的九十億年，物質密度降低。而暗能量密度，也就是宇宙真空能密度因為與宇宙的大小無關而沒有變化，所以相對影響力超過物質。宇宙又開始加速膨脹。到了2015年，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和普朗克衛星相繼完成了多年的哈勃常數測定和宇宙背景輻射的精細觀測。再結合宇宙大尺度的紅移巡天觀察，我們知道宇宙的年齡有一百三十八億年。普通物質僅僅隻占宇宙中所有質能的4.8%。暗物質有25.8%，是普通物質的五倍。大尺度上暗物質的分布類似於普通物質。暗能量占比高達69.2%。現在，輻射能已經相對很小了。我們認知的窘境是對宇宙中絕大多數的物質和能量知之甚少。WMAP測定出宇宙的時空曲率非常接近於零。宇宙幾乎是平坦的，證實了宇宙暴脹的可能性。另外，WMAP提供的數據顯示宇宙中微子背景的存在，為以後的宇宙學研究打開了一扇窗。

--寫於2022年9月8日（圖片來自網絡）