图:NASA / ESA / 空间望远镜科学研究所,2008 年(公有领域)
亚当·里斯
Adam G. Riess1969–今 · 生于美国华盛顿特区 · 美国
二十七岁在笔记本上算出一个负的质量密度,然后花两星期找自己的错,没找到
诺贝尔物理学奖 2011 通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀
「这些结果非常出人意料,甚至可以说骇人。数据要求宇宙学常数不为零。不要用你的心、也不要用你的脑去面对它们,要用你的眼睛——我们毕竟是观测者。」
—— 1998 年 1 月 12 日致高红移超新星搜索队的邮件,见其 2011 年诺贝尔演讲,据英文原文译
里斯的路是一门夏令营的课改出来的。
高三前的那个暑假,他去新泽西州的科学英才夏令营,本来打算学基因工程,临时选了一门讲狭义相对论的课。讲课的人把时间膨胀、长度收缩和同时性的相对性讲完,他就转了向。
这个转向很彻底:1988 年进麻省理工读物理,最喜欢的课是「初级实验」——把二十世纪上半叶那些拿过诺奖的实验一个个重做。他说自己从那门课里落下一个终身的毛病:见到原始数据就想知道,从这堆数字到那句结论之间,每一步是怎么走的。他管这叫做一个「数据还原主义者」。
一枚地铁代币
麻省理工快毕业时,哈佛天文系主任柯什纳打电话告诉他:天文系录取了,物理系在候补名单上。柯什纳问他要不要来看看,按惯例可以报销路费——不过既然他就在两站地铁之外,代币已经寄出去了。
他坐红线过去,被带进一间办公室,里面是当时被当作研究生模范的布赖恩·施密特。两人聊了聊研究生的日子。那年夏天他在劳伦斯利弗莫尔实验室干活,又碰上了珀尔马特。还没进研究生院,后来决定他职业生涯走向的人他已经见了一遍。
把尘埃和亮度分开
1993 年春天他去找柯什纳定题目。柯什纳告诉他,智利的菲利普斯刚发现一件事:Ia 型超新星的峰值亮度与光变曲线衰减的快慢有关,衰减越慢的越亮。这条经验关系能把这类超新星的距离精度提上去。
但还剩一个麻烦:视线上的尘埃也会让超新星变暗,而变暗多少无从知道。
里斯的博士论文就是解决这一条。做法叫多色光变曲线形状法:尘埃消光是有颜色的,它让天体变红;而超新星本身因亮度不同造成的差异,在各个波段上的表现不一样。同时用几个波段测,就能把两者拆开。他还顺手攒出了北天第一批用 CCD 测的 Ia 型超新星光变曲线——办法是跟别的观测者换时间,把自己组里未来在 1.2 米望远镜上的机时换成对方今晚的三十分钟。
这两样东西后来是关键:1998 年那篇论文里,正是靠这套方法,高红移那批超新星的弥散只有对方样本的一半。
负的质量密度
1997 年秋天,他把手上的数据算完,在笔记本上写下:。
只有物质的宇宙里,减速参数等于物质密度的一半。要让这条式子配上他量到的膨胀史,宇宙的质量必须是负的。
世上没有负质量。他后来形容自己当时的状态是「困惑与绝望」,于是做了爱因斯坦当年做过的同一件事——把宇宙学常数写回方程。数据立刻自洽了,而那一项占宇宙的七成。
接下来两星期他都在找自己的错。尘埃会不会正好把远处的超新星调暗?他自己的论文就是干这个的,答案是不会。年轻宇宙里的超新星会不会本来就不一样?他拿老星系与年轻星系里的近处超新星比了一遍,差异不到信号的三分之一。会不会只是人总更容易找到亮的?施密特做了模拟,也不足以解释。
然后他把结果发给施密特,施密特独立算了一遍,得到同样的答案。
1998 年 1 月 10 日他结婚。新婚旅行的前一夜,他在妻子可以理解的注视下给全队写了一封邮件,末尾那句成了这件事流传最广的一句话:不要用你的心、也不要用你的脑去面对这些结果,要用你的眼睛——我们毕竟是观测者。
3 月 13 日论文投出,5 月 6 日被接受。
把加速的起点找出来
加速膨胀最像样的替代解释有两个:远处的超新星被尘埃调暗了,或者年轻的超新星本身就比较暗。两者都有一个共同的预言——效应随距离单调加深。
2001 年,里斯在哈勃深场的旧数据里认出一颗红移 1.7 的超新星,SN 1997ff,当时最远的一颗。它落在图上的位置说明:那个年代的宇宙还在减速。宇宙先减速、后加速,转折发生在几十亿年前。尘埃与演化都造不出这种掉头。
这是「加速」这件事从一个惊人结论变成教科书内容的一步。2004 年他又用哈勃找到更多 的超新星,把那段减速的历史填实。
他自己挖出来的下一个坑
得奖之后,他做的事是把哈勃常数量得更准。SH0ES 项目沿着距离阶梯一级级往上:几何视差定造父变星,造父变星定近处星系,近处星系里的 Ia 型超新星定远方。2022 年给出的数是每秒每百万秒差距 73.04,误差约 1。
普朗克卫星测微波背景、再按标准宇宙学模型推出来的数是 67.4,误差 0.5。
两个数差了五个标准差以上。这道「哈勃张力」现在是宇宙学最要紧的悬案,而把它逼到这个份上的正是里斯自己——他这二十年做的主要工作,就是不断缩小自己这一侧的误差棒,逼着所有人正视那个差。他本人的态度一贯是:先把测量做干净,至于它意味着什么,交给理论家吵。
代表方程
1997 年秋天写在笔记本上的两行
上面一行是只含物质的宇宙里减速参数与物质密度的关系,下面一行是他把观测代进去解出来的数。质量密度不可能是负的,所以只有两种可能:算错了,或者这个宇宙里除了物质还有别的东西。他花了两星期查第一种可能,没查出问题,于是把宇宙学常数写回方程,,数据立刻自洽——代价是宇宙里七成的成分没人认识。
哈勃张力
单位都是公里每秒每百万秒差距。上面一行是里斯的 SH0ES 项目 2022 年用造父变星与 Ia 型超新星一级级量上来的结果,下面一行是普朗克卫星测出微波背景、再按标准宇宙学模型推算出来的。两个数各自的误差都很小,差距却有五个标准差以上。要么某一边有没找到的系统误差,要么那六个参数的模型还缺一样东西。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.里斯等《来自超新星的、支持宇宙加速膨胀与非零宇宙学常数的观测证据》,《天文学杂志》第 116 卷第 1009 页(1998)
- 2.里斯等《已知最远的超新星:支持加速宇宙,并窥见减速的年代》,《天体物理学杂志》第 560 卷第 49 页(2001)
- 3.里斯等《哈勃空间望远镜发现的 的 Ia 型超新星:暗能量的约束与膨胀史》,《天体物理学杂志》第 607 卷第 665 页(2004)
- 4.里斯等《对本地哈勃常数的全面测量:1 公里每秒每百万秒差距的不确定度》,《天体物理学杂志快报》第 934 卷第 L7 页(2022)
- 5.普朗克合作组《普朗克 2018 结果 VI:宇宙学参数》,《天文学与天体物理学》第 641 卷 A6(2020)
- 6.里斯《我通往加速宇宙的路》,2011 年诺贝尔演讲,《现代物理评论》第 84 卷第 1165 页(2012)
- 7.菲利普斯《Ia 型超新星的绝对星等》,《天体物理学杂志》第 413 卷第 L105 页(1993)
- 8.诺贝尔奖官方资料:亚当·里斯(生平与获奖信息)
- 9.亚当·里斯个人履历(空间望远镜科学研究所)