2011年諾貝爾物理桂冠

從「星」看世界—加速膨脹的宇宙

天文學家原本認為宇宙在大爆炸後的快速擴張應會漸趨緩，但三位天文物理學家透過觀測遙遠超新星，發現宇宙正加速膨脹。

追求認識我們所在的宇宙——包括宇宙如何演變至現今的面貌、未來又將如何發展等問題——或許是歷世歷代最深邃又最迷人的奧祕之一。2011年的諾貝爾物理獎頒給了索爾．波麥特（Saul Perlmutter）、布萊恩．施密特（Brian Schmidt）及亞當．李斯（Adam Riess）三位博士，表揚他們發現宇宙加速膨脹的成就。這個透過觀測遙遠超新星而獲致的發現，不僅具有重大意義，也從此改變了人類對宇宙的看法。

20世紀末宇宙大發現

1998年關於「我們所在之宇宙正加速膨脹！」的發現，令專家都跌破眼鏡、大感意外。在此之前，宇宙論學者普遍認為宇宙中物質本身的重力會把宇宙拉回來，所以宇宙的膨脹率將會隨著時間減緩——自1920年代人們發現宇宙正在膨脹以來，宇宙的膨脹史一直是理解宇宙過程重要的一環。當時，有兩個天文學團隊利用遙遠的Ia型超新星（Type Ia supernova）測量宇宙膨脹率，試圖印證宇宙膨脹隨時間減緩的假設。其中一個團隊由波麥特博士領軍，在勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）執行「超新星宇宙學計畫（Supernova Cosmology Project）」；另一個是由施密特博士和李斯博士領軍的跨國團隊，進行「高紅移超新星搜尋（High-Z Supernova Search Team）」計畫；當時李斯博士是加州大學柏克萊分校榮獲Miller研究獎金的博士後研究員，與位於勞倫斯柏克萊國家實驗室的波麥特博士只有咫尺之遙。

Ia型超新星是少見的、激烈的白矮星爆炸的結果。如果白矮星恰巧處在兩顆星互繞旋轉的雙星系統內，而能逐漸吸取另一顆伴星的質量，當白矮星達到1.38倍太陽質量（即稱為Chandrasekhar limit的臨界質量）後，它的電子簡併壓力（electron degeneracy pressure）無法繼續支持本身之萬有引力，便會經歷一次熱核的爆炸。爆炸的能量驚人，短期內超新星甚至比所在的星系更亮。由於爆炸的白矮星質量都相同，我們預期在全宇宙中，每次這類爆炸所釋放的能量是相同的，因此，釋放的光也相同。這是很重要的一個假設：Ia型超新星在理論上是好的「標準燭光」（standard candles），因為我們預計它們的內秉光度（intrinsic luminosity，即本身的光度）是相同的。