二十世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的天文大事件中，莫過(guò)于通過(guò)Ia型超新星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹這一令人震驚的事實(shí)！從上世紀(jì)二十年代起，已經(jīng)通過(guò)勒梅特和哈勃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的宇宙曾在快速的離去，而宇宙正在膨脹這個(gè)事實(shí)也正逐漸被大眾所接受，但宇宙正在加速膨脹的發(fā)現(xiàn)著實(shí)給了宇宙學(xué)家們不小的打擊，因?yàn)樗麄冇值眯薷挠钪鎸W(xué)模型了。

宇宙正在加速膨脹？

其實(shí)發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的還不止一個(gè)研究小組，因?yàn)樵?0年代末和90年代初，由Perlmutter 領(lǐng)導(dǎo)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”于1989年啟動(dòng)。由Schmidt 、Riess 與 Filippenko領(lǐng)導(dǎo)的“高紅移超新星探測(cè)組”，也在隨后的1994年啟動(dòng)，目標(biāo)都對(duì)準(zhǔn)了宇宙中的標(biāo)準(zhǔn)燭光Ia型超新星，但這很困難，因?yàn)镮a型超新星本來(lái)就比較少，而且要求還是盡可能遠(yuǎn)（宇宙在大尺度上的膨脹紅移才會(huì)更明顯）

功夫不負(fù)有心人，兩個(gè)小組都找到了足夠的目標(biāo)天體并且通過(guò)統(tǒng)計(jì)與研究分別得出了結(jié)論，作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的Ia型超新星的光度看起來(lái)比宇宙“標(biāo)準(zhǔn)速度”下膨脹要更暗淡一些（紅移更嚴(yán)重），如果按距離計(jì)算那么大約要遠(yuǎn)10%-15%左右。

根據(jù)這項(xiàng)研究，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都分享了2011年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

什么是紅移？

在這里我們要簡(jiǎn)單介紹些這個(gè)宇宙學(xué)名詞，與日常中我們司空見(jiàn)慣的喇叭聲靠近和遠(yuǎn)離時(shí)不一樣，光源在接近和遠(yuǎn)離時(shí)同樣會(huì)有類似的效果，這種效果叫做多普勒頻移！

光源靠近時(shí)，頻率被壓縮，看到的光線會(huì)向藍(lán)紫方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移。如果光源遠(yuǎn)離則光頻率會(huì)被壓縮，則看到的光線向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移，遙遠(yuǎn)天體都遠(yuǎn)離速度會(huì)根據(jù)距離不一，因此天體的紅移值會(huì)表示它距離地球的遠(yuǎn)近程度

Ia型超新星是什么星？

這種超新星是一種特殊條件下形成的超新星，一般都是雙星中的一顆先演化到碳氧白矮星階段，因?yàn)闇囟炔粔颍阈莾?nèi)核在沒(méi)有熱壓力的情況下坍縮為碳氧白矮星，而雙星中的另一顆演化到紅巨星階段時(shí)，其膨脹的氣殼將會(huì)落入白矮星的洛希瓣而被吞噬，當(dāng)吞噬物質(zhì)增加，內(nèi)核壓力增大，溫度上升將會(huì)觸發(fā)碳聚變，與恒星內(nèi)核可以自我調(diào)節(jié)熱壓力不一樣，這種簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)聚變并不是白矮星的質(zhì)量所能控制，最終這種失控的核聚變反應(yīng)將整顆白矮星徹底炸散，中心不會(huì)再留下天體。

Ia型超新星爆發(fā)的質(zhì)量比較穩(wěn)定，都是超過(guò)錢德拉塞卡極限時(shí)坍縮導(dǎo)致核心失控核聚變，這種超新星爆發(fā)的光度很穩(wěn)定，因此天文學(xué)家經(jīng)常將其作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”參考測(cè)定星系距離。

另一種Ia型超新星是兩顆白矮星合并（還有一種特殊的IaX型，有興趣的朋友可以搜索了解下）。

宇宙膨脹與Ia型超新星之間的關(guān)系

上文我們說(shuō)明紅移的原因，而宇宙正在膨脹，據(jù)最新測(cè)定，哈勃常數(shù)為67.15千米/秒/百萬(wàn)秒差距，根據(jù)這個(gè)結(jié)果測(cè)算的在某個(gè)星系的紅移尺度是有一個(gè)范圍的，上文兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究展示了宇宙正以超過(guò)我們測(cè)算的速度膨脹，這就是宇宙正在加速膨脹的由來(lái)。

宇宙為什么會(huì)加速膨脹？

1、宇宙的臨界密度

從宇宙大爆炸模型逐漸被接受以來(lái)，宇宙膨脹速度的測(cè)定與宇宙未來(lái)的結(jié)局就一直是大家津津樂(lè)道的話題，膨脹的宇宙有一個(gè)重大的制約因素，因?yàn)橘|(zhì)量彎曲的時(shí)空會(huì)將整個(gè)宇宙的天體最終匯集到一起，但這有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)在弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規(guī)和廣義相對(duì)論。

弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(guī)是根據(jù)宇宙學(xué)原理，在滿足均勻性與各向同性的要求上，宇宙的形狀只有三種，不過(guò)這個(gè)名字念起來(lái)實(shí)在太長(zhǎng)，一般都稱羅伯遜-沃克度規(guī)

當(dāng)然這還有一個(gè)前提，就是K的取值，2009年發(fā)射的普朗克衛(wèi)星通過(guò)宇宙微波背景輻射以及引力透鏡與重子聲學(xué)振蕩等的綜合觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙的平坦度為0.001±0.006，即宇宙在6‰的精度上仍然是平坦的。那么以此為標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)出宇宙臨界密度計(jì)算公式：

當(dāng)H=70千米/秒/百萬(wàn)秒差距時(shí)，宇宙的臨界密度為3.6×10^-30g/cm^3，當(dāng)前宇宙膨脹速率為67.15千米/秒，兩者非常接近。

2、暗能量

似乎我們的宇宙正是要如此臨界狀態(tài)維持下去，但1998年從Ia型超新星爆發(fā)觀測(cè)到宇宙的膨脹似乎正在超過(guò)我們以往觀測(cè)到的宇宙膨脹速度，而且要高出10-15%。跟根據(jù)觀測(cè)到的Ia型超新星測(cè)算，宇宙在誕生98億年時(shí)開(kāi)始加速膨脹，這個(gè)膨脹大約在距今約40億年前開(kāi)始加速。

天文學(xué)家是厚黑學(xué)的高手，立即修改宇宙膨脹的模型，引入了暗能量這個(gè)概念來(lái)解釋宇宙為什么會(huì)加速膨脹，并且WMAP和后續(xù)普朗克衛(wèi)星通過(guò)觀測(cè)，計(jì)算了宇宙中最精確的物質(zhì)比例，這是第二個(gè)大跌眼鏡的數(shù)據(jù)。宇宙中居然物質(zhì)只有4.9%，暗物質(zhì)則占了26.8%，暗能量甚至占到了68.3%。如果按照這個(gè)比例下去，未來(lái)的膨脹模型將會(huì)以宇宙無(wú)限膨脹告終。

暗能量：這是美國(guó)理論宇宙學(xué)家麥可·特納在1998年因宇宙加速膨脹而提出的一個(gè)概念，天文學(xué)家認(rèn)為暗能量是某種直接作用于時(shí)空結(jié)構(gòu)的能量，產(chǎn)生的和引力相反，導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)膨脹的能量。請(qǐng)注意，到現(xiàn)在為止暗能量仍然只是一個(gè)計(jì)算值。

宇宙未來(lái)的結(jié)局是什么？

在暗能量的主導(dǎo)下，宇宙的未來(lái)是一個(gè)可以預(yù)期的結(jié)果，無(wú)限膨脹，一直到熱寂的狀態(tài)，盡管宇宙學(xué)模型提出幾個(gè)宇宙未來(lái)的結(jié)局

但從現(xiàn)代天文的觀測(cè)中，所有的證據(jù)都指向宇宙將達(dá)到無(wú)限膨脹的熱寂狀態(tài)，我們很容易可以理解這個(gè)熱寂是什么意思，因?yàn)榭臻g的無(wú)限膨脹，未來(lái)宇宙的密度將會(huì)達(dá)到臨界密度以下，物質(zhì)的引力再也無(wú)法讓宇宙重新走向穩(wěn)定或者坍縮，最終星云也將消散，紅矮星熄滅后再也無(wú)法誕生新的恒星，宇宙陷入一片黑暗，但這只是熱寂的開(kāi)始而已。

質(zhì)疑的聲音

2015年6月，三位相關(guān)領(lǐng)域的研究專家在《科學(xué)報(bào)告》上發(fā)表了一篇文章，分析了JLA提供的740顆Ia型超新星樣本（比早先兩個(gè)小組用的超新星樣本數(shù)量高出幾十倍），他們認(rèn)為宇宙加速膨脹的確信度不足3σ（Σ小寫 ，用于表示統(tǒng)計(jì)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)差），而一般用于粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)是5σ

作為圍觀群眾的您是否有松了一口氣的趕腳嗎？但請(qǐng)你不要高興的太早了，因?yàn)樗查g反轉(zhuǎn)的好戲還在后頭！

瞬間反轉(zhuǎn)：支持的聲音

在三位質(zhì)疑的聲音還在余音繞梁之時(shí)，同年十月勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Hayden 與佛羅里達(dá)州立大學(xué)物理系、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Rubin 在 arxiv 網(wǎng)上發(fā)表論文表示支持1998年兩個(gè)小組的研究工作，他們也對(duì)JLA提供的Ia超新星樣本進(jìn)行了嚴(yán)格分析，確信宇宙確實(shí)在這個(gè)尺度上出現(xiàn)了加速膨脹的跡象。

諾貝爾獎(jiǎng)的一錘定音

2011年，領(lǐng)導(dǎo)兩個(gè)小組各自得出結(jié)論的負(fù)責(zé)人獲得2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，根據(jù)各自在團(tuán)隊(duì)中的貢獻(xiàn)一起分享了獎(jiǎng)金。

可能大家都知道愛(ài)因斯坦從未因相對(duì)論獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，并不只是評(píng)選委員為那幫老古董看不明白他那天書般的理論，而是很難驗(yàn)證，諾貝爾獎(jiǎng)在這一方面尤其謹(jǐn)慎，此次兩個(gè)小組獲獎(jiǎng)這一實(shí)錘基本上是科學(xué)界在宇宙膨脹這一理論上支持了加速膨脹這個(gè)觀點(diǎn)。

宇宙正在加速膨脹的目標(biāo)直指熱寂，也就是俗稱的大撕裂，不過(guò)各位卻不必太擔(dān)心，因?yàn)檫@距離現(xiàn)在還早呢，而且宇宙膨脹在本星系群的尺度上表現(xiàn)是不明顯的，在這個(gè)范圍內(nèi)主導(dǎo)的是引力，因?yàn)榘的芰啃枰诖蟪叨壬喜艜?huì)接過(guò)引力主導(dǎo)的大棒。