从20世纪20年代以来，宇宙学家就知道宇宙在膨胀，星系间的距离拉得越来越大。不过他们始终认为，在引力约束下，膨胀已经趋缓。但是完全出乎意料，新近对遥远爆炸星的观察结果，意味着宇宙在以更快的速度增长。果真如此，那末宇宙间一定充塞着某种未知的物质和能量形态，它们的“引力”是相排斥的而不是相吸引的。对于物理学家来说，认为存在着至今尚未发现的能量，这是异端思想。然而1998年5月，在以“宇宙中的失踪能量”为主题的会议上，与会的60位宇宙学家投票表决，有40位表示接受这个新的发现。
10多年来，天文学家怀疑，现代宇宙学讲堂上并非无可指责。当观察者把宇宙间所有普通物质加在一起时，还达不到暴涨(inflation)理论预示的使宇宙膨胀减缓所需要的数量。暴涨论是对大爆炸最早阶段的精巧解释，直到现在反对这一理论的证据还绝不足以盖住它的优点。但是今天，连理论家们都承认它有着某种差错。退而言之，至少不像过去认为的那样膨胀在急剧减速。1998，由于新的观察结果违反核心预言，理论家们心急火燎地去搞清最新观察数据的含义。科学家要么必须接受宇宙由古怪的能量形式所支配，与“失踪的能量”重新修好；要么必须承认宇宙是一个奇异的弯曲时-空连续统的泡泡，修正或放弃暴涨理论。《科学美国人》就这一问题提供三方面的报告：第一，三位观察者解释他们在超新星上的工作怎样和为何会引发这样一场骚动；第二，一位理论家说明这些结果为什么证明有一种微妙的能量通过空空间；第三，两位宇宙学家提供另一种解释，把暴涨论推广到大爆炸“之前”的时期。
《科学美国人》编辑部
“宇宙学的革命”专题报告之一
以超新星考察时-空
大约10亿年以前，在一遥远(约2000兆秒差距)的星系上一颗长久寂灭的恒星爆炸了，发出比10亿颗太阳还亮的闪光；光在太空中散布，有些光到达地球之前，就随着宇宙的膨胀而减弱。1997年的一个黑暗的夜晚，来自超新星的几百个光子在10分钟内落入了智利的望远镜的视线内。这时观察站的计算机产生数字化的像，证明了这一微小光波的到达。尽管它看上去印象并不是很深，但是对我们来说，这个浅斑却是一种强烈的景观，一种考察空间和时间的新的信标。
我们和遍布全球的同行们已经跟踪来自几十个这样的超新星而到达地球的光，应用这些观察结果来画出宇宙总体的形状图，并且按照年代先后记载下它的膨胀状况。我们和其它各天文学家小组近来已搞清它对几十年来的传统知识提出了什么样的挑战：宇宙看来比原先推测的要大而空。不仅如此，宇宙继续着的膨胀不像许多宇宙学家预告的那样正在减慢，事实上它可能在加速。
恒星翘曲
在20世纪的大部分时间里，宇宙膨胀的历史引起人们强烈的兴趣。这是因为它反映了宇宙的几何形状和宇宙组成成分的本性，这些组分包括物质、光，还有别的可能更为微妙的物质形态。爱因斯坦广义相对论把这些宇宙的基本性质编织在一起，描述它们是怎样影响着物质的运动和光的传播，并据此提出天文学家可以实际测量的具体事物的预言。
在1916年爱因斯坦理论发表和在接着的10年中首次观察到宇宙膨胀之前，大部分科学家认为宇宙的大小是停留不变的。的确，当爱因斯坦知道了他的方程意味着一个动态的宇宙时，他对自己的方程起了疑心。但是E · P · 哈勃(Hubble)和其他人对星系运动的测量说明了毋庸置疑的事实：浅淡的遥远星系从地球飞驰而去，比邻近的明亮星系要快，这同广义相对论关于宇宙在长大、并带着星系一起越离越远的预言相吻合。这些研究者从可见光谱线向较长波长偏移(所谓“红移”)中测定星系向外运动的速度。尽管常常把它归因于多普勒效应(是火车通过时汽笛声和汽车通过时喇叭声改变音调的原因)，但作为正在膨胀的宇宙的结果，归因于宇宙学红移是更为正确的思想，因为膨胀把在星系间通过的光的波长拉伸开来。从比较遥远的星系放射出来的光，已经传播了较长的时间，比来自较近的源的辐射有更大的红移。
哈勃时代的技术条件，使对宇宙膨胀的初始探测被局限在靠得比较近的星系。光从邻近星系到达地球这段时间里，宇宙的膨胀只占宇宙整体的很小份量。对这样小量的变化来说，红移与距离成正比，两者的固定比值称为哈勃常数，它表示宇宙膨胀的现行速率。但是天文学家长期来料想遥远星系会同这种简单的红移和距离关系不一致。这一方面是因为膨胀的跨度已随时间而改变，另一方面是因为中介的空间翘曲了。因此测量这种效应就成为宇宙学家的一个重要的奋斗目标。不过它是一个难以到达的目标，因为它需要有测定到遥远星系的距离的手段，这历来是个难题。
哈勃和其他几个开拓者假定不同的遥远星系都具有相同的本征亮度，然后用它来估算到这些星系的距离。按照他们的逻辑，明亮的星系靠得比较近，暗淡的星系则离得比较远。但是这种方法很粗糙，因为星系的性质是各不相同的。遥远源的光花这么长时间到地球，这表示它是几十亿年前的遥远星系(即在年轻时期)。因为它们的本征亮度理应与所看到的靠近地球的更年长的星系十分不同，所以这种方法完全失败了。要解决因膨胀效应产生的这些演化变动是很困难的，因此天文学家长期来都在寻找另外的“标准烛光”。
这些远离几十亿光年的信标可以看得见，所以它们一定很亮。20世纪70年代初期，有些宇宙观察者打算应用类星体这种极端高能的源(也许是黑洞吞噬恒星和气体给它以动力)。但是他们研究的类星体竟比星系还要多样，所以用处不大。
与此同时，其他天文学家探索过用超新星(爆炸星)作宇宙学研究中的标准烛光。但那种探索也是成问题的，因为超新星的性质也是各不相同的。可是我们这个组的成员在过去的10年中，已经使科学家能够十分精确地测定一类超新星——Ia的本征亮度。
寂灭恒星
什么是la型星呢？本质上它是一颗寂灭恒星趋于自然热核爆炸时产生的冲击波。这种最终转变的奇特之处是，它是一个外层由它心核内的均匀核反应所产生的热所支撑，它把氢在反应中转化为氦、碳、氧、氖以及别的元素。这与原始粒子转变为普通恒星而开始其生命时相像。当恒星寂灭时，核尘聚集成明亮的燃屑，被引力压缩到地球那样大小，而其密度则百万倍于普通物质。
这样的白矮星大部分直接冷却和衰落下去，直到发出一声呜咽而死灭。但是如果某一颗白矮星循轨道绕另一颗恒星运行，它就能从伴星那里咂砸地吞噬物质，使其密度越来越大，直到突然引发一场核爆炸风暴。核灾变把矮星完全吹散开来，物质大约以每秒10,000公里的速度喷涌出来。大爆炸火球的亮度大约花3个星期达到它的极大值，然后在几个月内降落下来。
这些超新星亮度变化轻微，但它有一个特性：较大和较亮的超新星比较暗淡的超新星爆炸经历的时间长。因此天文学家可以用监测经历时间长短的办法对其差异作出校正，并推导出它们的固有亮度到12%之内。用现代检测器对邻近Ia型超新星经过十年的研究，已经使这些闪光成为天文学家们所共知的最精确的标准烛光。虽然在银河系中很少有这样的星体爆炸事件，但是如果你监视几千个别的星系，就可望每个月有一次Ia型超新星出现。的确，宇宙中有这么多的星系，以至每几秒钟就有超新星在天空某处爆发，其亮度足供研究之用。天文学家所要做的是发现它们，研究它们。在过去几年里，这种努力花去我们两个组的全部精力。一个是我们这个叫“高一Z组"的研究组(天文学家用字母Z表示红移)，它是1995年由澳大利亚Mount Stromlo anel Siding Spring天文台的薛密特(B. P. Schmidt)组织起来的；另一个是竞争的合作者，叫“超新星宇宙学计划”，它开始于1988年，是劳仑斯 · 伯克莱实验室的S. 伯尔墨托(S. Perlmuter)领导的。
虽然两个组有各自独立的计划，但是他们有相同的基本开发进程：在巨大望远镜上部署大型电子光检测器——一种在相当大的长而宽的天空中产生数字化像的系统。这种新技术的最初例子(两个组都用了)是大容量照相机，它是密歇根大学的C · M · 本斯汀(G. M. Bermstein)和A · 泰森(A.Tyon)创制的。把这个照相机安装到4米布兰柯望远镜的聚焦处(在智利的Cero Tololo美洲国际天文台)，一次瞩光的覆盖面约有整个月球那么大，产生大约5000个星系的像。
寻找遥远超新星的工作就是取天空同一部分的相隔几个星期的像，然后寻找可能是爆炸星的那种变化。因为数字光检测器可以精确地数出每一像元中光子的数目，从零开始找出有意义的差异。由于我们是在每一像对中核查成千个星系，相信，对众多像对的校验会发现许多超新星，条件是天气晴好。幸好，天文台的位置是在智利南部阿塔卡麦沙漠的恩第斯丘陵地带，那是世界上最干燥的地方，通常是一碧睛空。我们计划进一步安排在世界各地的一系列望远镜的观察时间，使得在超新星衰落之前能够进行连续的测量。我们敢断言，我们将会有良好的发现。
在天上寻找爆炸星，实际上是在地上紧急组织一场突击运动。我们必须以急速的步骤获得并比较数以百计的巨大的数字化像。我们征用的计算机分布在整个Cerro Tololo天文台，它们的工作是把像排列成行，校正大气透明度和像的大小上的差异，对二次全景摄影作相减计算。如果进行顺利，大部分星系消失了，只留下在两个像的差异中的小小的真正“噪音”。较大的信号表示某种新的或变化着的物体，诸如变星，类星体、小行星，少数情况下还有超新星。
我们的软件记录新物体的位置，辨认哪个是真正的超新星。但是天文学家的测试是不完美的。我们还必须用肉眼作仔细审查来决定所推测的超新星中哪个是真实的。我们还要立即用其它望远镜追踪我们的发现，所以分析工作必须快速。在这些令人精疲力竭的时光里，天文台成了天文学家和访问学者的血汗工厂，他们整天望着时钟工作，用热情和智利馅饼支撑着自己。
下一步的目标是用世界上最大的光学仪器——最近建成的夏威夷Keck望远镜——对准最佳的超新星候选物。这些关键性的观察将确定所发现的物体是不是真正的la型超新星，更精确地计算出它们的本征亮度，测定出它们的红移量。
隐藏的一面
我们这个组中其他工作在澳大利亚、智利和美国的人，也在追踪这些超新星，观察它们如何到达亮度峰值，然后又缓慢减弱下来。
观察单个超新星的战役长达几个月，而最后的分析往往要持续一年或更长时间，那时爆炸星几乎消失了。这样我们就得到一幅优美的主星系的像。我们用这个最后的观察结果域去从超新星像上得到的恒定光亮。我们的最佳测量来自哈勃太空望远镜，它捕捉到清楚的细节，使得爆炸星在它的主星系中凸出地显现出来。
两个组已经研究了所记录下来的几个高红移超新星。它们是在70~40亿年前，即现在宇宙年龄的一半到三分之二的期间内爆发的。两个组惊奇地发现，超新星比预期的要暗淡。虽然相差不是很大，遥远超新星平均只比预测的暗25%，但这足以对由来已久的宇宙学理论提出异议。
在提出任何全面结论之前，两个组的天文学家向自己提问：对这些遥远超新星的相对暗淡度是否存在一种普通的解释？有一种可能的原因是，暗淡是由宇宙尘造成的。然而我们要对这种可能性打个折扣。因为尘粒要筛掉一些光，滤掉的蓝光比红光更多(与大气中的尘埃染红夕阳的道理相同)。我们没有观察到这样的变化。我们还料想在测量中宇宙尘会引入一个大的变差(除非它平滑均匀地散布在整个太空中)，我们也没有发现这种情况。
另一种可能的干扰是引力透镜。当光线在途中绕过星系的边缘时，要发生弯曲。这样的透镜偶尔会引起光亮，但是最常见的是造成光的减弱，因而对遥远超新星的暗淡度作出贡献。然而计算证明，只有在源的距离比超新星更远时，这样的效应才有意义。所以我们可以排除这种复杂情况。
最后，我们担心遥远超新星与邻近超新星多少有些不同，也许比较年轻的恒星中包含的重元素比比较年长的星系要少。虽然不能排除这种可能性，然而在我们的计算中已经计及这样的差异。我们对邻近星系(年龄、构成跨度很大的各类超新星)进行校正，看起来进展顺利。
因为没有一种普通的效应适合于解释观察结果，我们和其他许多科学家不能不认为，是两种不同的空间性质和时间性质可能对它作出贡献。
首先，空间具有负曲率。这样的翘曲用二维模拟很容易理解。生活在平坦的二维世界里的生物，发现一个半径为r的圆，其周长正好是2πr。但是如果它们的世界巧妙地弯曲成鞍状，它就具有微小的负曲率。“鞍陆”上的二维居民可能忘却了这样的曲率，直到他们测量了某一半径的大圆，发现它的周长大于2πr。
大多数宇宙学家根据各种理论上的理由已假定我们的三维空间(像平地)不是弯曲的。但是如果它具有负曲率，那末由古老超新星放射出来的巨大的辐射球理应比几何上平坦的空间有更大的面积，使得源奇怪地显得暗淡。
对遥远超新星的意料之外的暗淡度的第二种解释是，它们实际上比由它们的红移所指示的距离还要遥远。从另一个角度看，处在这些大距离上的超新星的红移似乎比预料的小。宇宙学家考虑到红移较小的情况，假设宇宙过去膨胀得比预料的要慢，给出宇宙和在宇宙中传播的光的总广延比较小。
力
宇宙膨胀的减慢没有像以前预料的那样快，这件事有什么重要意义呢？如果宇宙是由普通物质组成的，那末引力一定使膨胀减慢。因此像对超新星的测量所指示的那样，膨胀减慢得小就意味着宇宙中物质的总密度是低的。
虽然这个结论突出了理论上的先人之见，但是它与另外几个证据是一致的。比如，天文学家注意到某种恒星看起来似乎比大家公认的宇宙年龄还要老，这显然不可能。然而如果宇宙在过去膨胀得比较慢(像超新星所指明的那样)，那末宇宙年龄必须往上修正，这个谜团也就解开了。新的结果还同另一个最近确定物质的总量(诸如对星系团的研究)的尝试相符。
宇宙物质密度的新理解对于宇宙曲率说明了什么呢？按照广义相对论，曲率和减速是紧密相连的。原在普林斯顿大学的 · J · A · 惠勒(J. A. Wheeler)解释道：物质告诉时一空如何弯曲，时一空告诉物质如何运动。物质密度小意味着负质量和小减速。如果宇宙接近于虚空，那末这两种暗淡效应都接近它们的理论极大值。
我们看到的超新星甚至比所预测的在邻近虚空宇宙中(它具极大负曲率)的还要暗淡，这令人惊诧不已。取其表面值，我们的观察结果看来要求膨胀实际地随时间而加速。普通物质组成的宇宙不能如此增长，因为它的“引力”始终是相吸引的。然而按照爱因斯坦的理论，如果有一种异域的能量形态充斥空空间，膨胀就能加快。这种奇异的“真空能量”，被称为宇宙常数而包含在爱因斯坦的方程之中。与普通的质量和能量形态不同，真空能量增添的“引力”是相排斥的，它能驱使宇宙越来越快地分离。要是我们接受这种非同寻常的可能性，就能满意地解释我们的观察结果，即使是采取理论家们所喜欢的平坦几何。
奇异的能量形式的证据告诉人们存在着一种相斥的“引力”，这是我们所希望的最有趣的结果。然而这太令人吃惊了，以致我们和其他的人对它都保持适度的怀疑。幸好，天文学家所应用的技术的进步，诸如新的红外检测器、第二代太空望远镜等，让我们以更大的精确性和可靠性，可以立即去检验我们的结论。这些仪器还让我们可以看清更为暗淡的信标——更长时间之前的星系爆发，它们比现在看到的星系要遥远得很多很多。
[Scientfic American，1999年第1期]
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* 本文三作者: G. J. Hogan教授，现任华盛顿大学天文系主任。R. P. Kirshner教授,哈佛-史密斯天体物理中心副主任。N. B. Suntzeff博士，现在智利Tololo天文台工作。