探秘宇宙 第17期
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我们的宇宙从何而来？它究竟是什么样子？它将如何演化？它最终的命运将是什么？这些问题是我们一生中的某个时刻都会感到困惑和好奇的问题。2011年的诺贝尔物理学奖颁给了在1998年通过超新星观测发现宇宙加速膨胀的研究中做出重大贡献的三位科学家。当年这一发现震动了整个科学界，因为按照万有引力定律，所有我们已知的普通物质，甚至一些科学家设想应该存在的暗物质，都会使宇宙的膨胀减速。因此，宇宙膨胀加速意味着宇宙被一种我们所完全不了解的东西所主宰，它被科学家们称为暗能量。
那么暗能量究竟是什么？宇宙加速膨胀是如何发现的？暗能量研究的现状和未来是怎样的以及它对于宇宙有什么样的影响？诸如此类的宇宙奥秘引发公众极大的探索兴趣。在国际天文联合会第28届大会在北京召开之际，2012年8月23日，主题为“探秘宇宙”的中国科协第十八期“科学家与媒体面对面”邀请了2011年诺贝尔物理学奖获奖者之一Brian P . Schmidt，中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员、星系宇宙学部副主任陈学雷，紫金山天文台研究员、中国南极天文研究中心主任王力帆，北京师范大学天文系教授、天体物理教研室主任张同杰等专家、学者，为广大公众揭开宇宙未解之谜的神秘面纱，探索宇宙扑朔迷离的科学奥秘。
宇宙加速膨胀的发现
宇宙是非常大，我们现在能看到的宇宙是有限的，如果能拍三千二百万张照片，就可以看到整个的宇宙。因为没有足够的时间，当我们取最远的照片时，这是看到的137亿年前的宇宙。我们看到的不是恒星或者星系，而是宇宙当中的氢和氦，像太阳一样发出光。在那之前，是大爆炸，那个时候，时间才开始。
宇宙学的研究开始，是当我们能够用光谱分解，让它变成像彩虹一样不同的波长。莱斯特·斯莱弗先生把星系的光展开成像彩虹一样的光，他看到这些光的波长比通常的星系的光的波长拉长了。斯莱弗了解多普勒效应，当一个物质靠近你或者远离你的时候，它发出来的波长会压缩或者拉长，比如说当一个警车开近的时候，你会听到警笛的声音升高。光也是一样，当氢气靠近你的时候，它的光发生向蓝的偏移，如果远离时候，会发生红移。斯莱弗发现，离我们大部分的星系正在逐渐向远处飞去，为什么会这样呢？这个谜通过测量距离得到了解答，我们在天文学当中测量距离，是通过测量星的亮度，越远的东西越暗一些。哈勃在1929年的时候，他可以使用世界上最大的望远镜，他用这个望远镜观测斯莱弗观测的星系，测量他们的距离，他发现星系走得越快，它们就越暗一些，所以他宣布宇宙是在膨胀的。1917年爱因斯坦也惊奇地发现宇宙是在运动的。
Brian P. Schmidt告诉我们，用于观测宇宙的天体是一种超新星，剧烈的爆炸发出的光是非常非常亮的，是太阳的很多很多倍。这些超新星可以达到太阳的50亿倍的亮度，可以从一个月以内完成从亮到暗的过程。中国古代宋朝天文学家1006年观测到一颗银河系内的超新星，亮度可以和月亮相比，但是它只有一个星。1998年我们进行的观测结果表明宇宙过去是在以稍微慢的速度在膨胀，后来在加速。
暗能量的研究及其现状和未来
是什么在推动宇宙加速膨胀？爱因斯坦引入的常数项可能表示了宇宙当中一些基本的材料。在过去十多年里，我们很多人都用了不同的方法进行了这样的观测，但是我们都获得了同样的结果，这就是我们把它叫做暗能量的东西，它在推动宇宙加速膨胀，它构成了宇宙当中73%的部分，剩下产生引力的部分是27%。但是即使这27%当中，大部分也都是一些神秘的东西，其中22.5%是我们称为暗物质的东西，我们看到它产生了引力，但是没有办法用望远镜看到。组成我们的地球还有人体的这些普通的重子物质，只占了4.5%。宇宙的未来可能看上去都是暗能量，因为暗能量是构成时空的基本材料，宇宙越膨胀，暗能量就越多。它可以越来越强有力地推动宇宙，使它膨胀得越来越快，这样就造成了更多的暗能量，然后又推动得更多，宇宙的膨胀就越来越快。
宇宙中很大一部分是暗能量，这部分占74%，按照吸引力和排斥力来分类，暗能量是排斥力，正常物质和暗物质是吸引力。宇宙就是在这些物质作用下进行演化，没有这些物质作用，我们无法研究宇宙演化方向。我们可以认为宇宙就是在这种吸引力和排斥力两种力的相互抗衡之下进行演化，暗物质和正常物质是吸引力，是把宇宙拉过来。我们看一下排斥力暗能量，排斥力正好是相反的，宇宙就是在这两种力量作用下进行它的演化。
张同杰教授告诉我们，从我们现在理解来看，暗能量好象是一种跟引力相反的力，或者说斥力，在推动宇宙加速膨胀，到底是不是这样的？陈学雷介绍了观测的一种手段“重子声学振荡”，实际说的就是通常说的声波。在早期的宇宙当中，宇宙经历高温的时期，我们可以看到那个时候发出的光，就是我们通常称之为宇宙微波背景辐射。通常在这个时期，宇宙微波背景辐射有一些不均匀，这种不均匀来自宇宙早期的声波，这个声波可以影响宇宙的演化。
【专家简介】
Brian P. Schmidt：1967年生，1993年从哈佛大学获得博士学位，澳大利亚国立大学（ANU）斯特朗洛山天文台（Mount Stromlo Observatory）的一位天文学家，高红移超新星搜寻小组领导者，特聘教授。拥有美、澳双重国籍，长年定居于澳大利亚首都特区堪培拉。施密特著名于观测超新星，他也是澳大利亚科学院（AAS）院士、澳大利亚研究委员会（ARC）桂冠会员。2011年，施密特与亚当·里斯、索尔·珀尔马同该年的诺贝尔物理学奖，获奖理由是“透过观测遥远超新星而发现宇宙加速膨胀”。他还获得了2006年的邵逸夫天文学奖，2007的Gruber 宇宙学奖。
陈学雷，1969年生，博士，博士生导师，中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员，星系宇宙学部副主任。从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究，1999年哥伦比亚大学博士毕业，2005年入选中科院百人计划，获国家杰出青年科学基金，已60余篇，主持863项目暗能量射电探测（天籁计划）关键技术研究。
王力帆，紫金山天文台研究员，中国南极天文研究中心主任。美国Texax A&M大学物理天文系副教授。1994年博士毕业于中国科学技术大学。长期从事超新星及超新星宇宙学研究，特别是在超新星的三维结构及偏振观测方面，作出了突出贡献。自2005年起，他所领导的中国南极天文中心与国内外科学家合作，开拓了南极冰穹A天文学台址测量及天文观测的新领域。目前致力于南极巡天望远镜AST3的研制。南极巡天望远镜AST3的首台望远镜已于2012年1月成功安装并投入科学观测。他和他的合作者的工作有望在天文学研究的几个热点领域，如超新星和太阳系外行星的研究方面做出重大突破。
张同杰，1999年中科院上海天文台攻读天体物理学获得博士学位；现任北京师范大学天文系教授、博士生导师、天体物理教研室主任；2007年度教育部新世纪人才获得者；国际天文联合会（IAU）宇宙学分会会员；加拿大理论天体物理所（CITA）（多伦多大学）访问学者；美国亚利桑那大学物理系和天文系（UofA）访问合作与博士后研究。