[学] 如何从超新星得出“宇宙加速膨胀”?

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  • 如果一颗超新星爆发了,科学家就可以记录它的“视亮度”.如果视亮度越暗,就表示这颗星离我们越远.通过对比视亮度和绝对亮度的差异,科学家就能知道这颗超新星距离我们的距离,这个距离叫做“光度距离”.(取对数后就是此图的纵坐标)

    同时,由于宇宙正在膨胀,超新星发出的光传播到地球时,波长被拉长了,光谱朝红色的方向移动,因此,科学家可以测量出这颗超新星的“红移”.(就是此图的横坐标)

    将不同亮度,不同红移的Ia型超新星的结果汇总在一起,就形成了这张图.宇宙近期经历过膨胀状态,应该在这张图上体现出来.现在,科学家要用不同的宇宙学模型来拟合图中的数据,看看宇宙到底在加速还是减速.

    蓝色的线表示宇宙中的普通物质和暗物质占总能量的100%,它们产生的万有引力导致宇宙减速膨胀——显然,蓝色的线和数据不吻合.

    红色的线表示宇宙中的普通物质和暗物质占的比例可以忽略不计,而产生斥力的宇宙学常数占100%——显然,红色的线也不行.

    绿色的线表示宇宙中的普通物质和暗物质占宇宙总能量的31%,而产生斥力的宇宙学常数占69%——显然,绿色的线更符合观测结果.因此,在宇宙学标准模型(大意是宇宙的主要成分是:宇宙学常数、冷暗物质和普通物质,并且宇宙的空间是平坦的)中,科学家就从Ia型超新星的数据中得到了“宇宙加速膨胀”的结论.

    随后,科学家又从其它手段中得到了一致的结果,包括:宇宙微波背景辐射、重子声学振荡、弱引力透镜、星系团计数、伽玛暴、X射线气体、哈勃参数的直接观测、古老星体的年龄、密度涨落的成长因子.因此,主流科学界认为我们的宇宙确实正在经历加速膨胀的阶段.

    图:多种观测手段得到的结果都指向宇宙加速膨胀

    椭圆的中心表示数据最可能的范围,椭圆本身表示数据可能的范围,也就是误差范围.

    多个椭圆、图形有公共重叠部分,而且这个部分正好说明宇宙学常数占70%左右,会导致现在的宇宙加速膨胀.于是多种观测方法都指向同一个结果.