2011“中国十大天文科技进展”

天文基础和应用基础研究类

Top1广义相对论和哥白尼原理的宇宙学检验

本世纪初，标准宇宙学模型建立，天文学家对于宇宙的认识有了长足的进步。但是，我们对宇宙的理解仍然存在着巨大空白。一个重要问题就是，究竟是什么导致宇宙在晚期加速膨胀？是神秘的暗能量，还是广义相对论的引力理论存在偏离？是广义相对论宇宙学计算出现了问题，还是我们的宇宙不遵循哥白尼原理，我们实际上生活在几十亿光年大小的巨大空洞里？

20世纪80年代以来，宇宙学家们逐渐意识到，宇宙学常数（更广义暗能量的一种）可能不为零，宇宙很可能已在晚期进入加速膨胀阶段。随后，通过测量遥远的Ia型超新星证实，宇宙确实在加速膨胀，从而提供了存在暗能量的强大证据。但是从Ia型超新星的观测，到存在宇宙加速膨胀和暗能量的结论，需要考虑一些宇宙学的基础问题，如广义相对论是否正确、对于广义相对论宇宙学的计算是否正确，以及哥白尼原理是否成立等。

引力与我们的生活息息相关，但又极其神秘。牛顿通过引力揭示了太阳系诸天体的运动规律， 而勒维耶又据此推断出了海王星的存在。遵循同样的方法，勒维耶为了解释水星的“反常”运动，预言在水星轨道内存在一颗未知行星并命名为Vulcan。但是Vulcan从未被发现过。到广义相对论出现之后，水星的运动才得到了完美解释。

Vulcan的历史教训令不少宇宙学家心生警觉，因为预言暗物质、暗能量存在的逻辑链条，与预言海王星、Vulcan的逻辑链条实在是太相似了！都是结合已有引力规律和已知物质，对已知世界的运动做出预言，都是发现观测和理论不符，都是假设已有的引力规律正确，从而推断出未知物质的存在。

我们不得不考虑广义相对论是否在星系以上尺度出了问题？即，我们是否需要修改引力理论，而不是引入暗物质和暗能量？

事实上，我们的确可以通过修改广义相对论来解释当前的观测结果，但问题的核心在于，如何在宇宙学尺度上检验广义相对论。这里有许多难点，哥白尼原理是否成立和宇宙非线性演化的复杂性就是其中的两个。

哥白尼原理。暗能量和修改引力理论的主要观测证据来自宇宙加速膨胀，而加速膨胀的主要证据之一来自Ia型超新星的反常变暗。但是宇宙加速膨胀只是Ia型超新星反常变暗的充分不必要条件。例如，假如我们处在一个几十亿光年的巨大低物质密度区域（空洞），也会使Ia型超新星反常变暗。但是哥白尼原理断言，宇宙中没有特殊区域，从而否定巨大空洞的存在性。由于哥白尼原理以前在宇宙学尺度上并没有得到全面、严格的检验，所以曾是在宇宙学尺度上检验广义相对论和研究暗能量的一大不确定性。

宇宙非线性演化的复杂性。宇宙大尺度结构的演化包含着丰富的关于暗物质、暗能量和引力的信息，但这一过程极其复杂，很难从第一原理出发精确计算，例如我们目前无法精确计算星系形成，造成了通过星系成团性来严格探索暗物质、暗能量和引力性质的不确定性。

我国宇宙学家的工作证实哥白尼原理在10亿光年以上的尺度上是正确的，即宇宙在10亿光年以上尺度上是均匀的，几十亿光年的空洞不存在，从而排除了空洞模型取代暗能量和修改引力的可能。此外，我国宇宙学家主导提出了检验引力的EG方法，发现结合弱引力透镜和星系红移畸变，能够直接测量物质弯曲时空的能力。该测量不依赖于宇宙初始扰动和星系偏袒因子等不确定因素，具备客观应用前景。2010年，斯隆星系巡天采用这一方法，在红移0.3、约1亿光年的尺度和20%的精度上验证了广义相对论。此外，我国作为首批成员参与的BigBOSS星系光谱红移巡天项目，将可以在百亿年的时间跨度、千万至十亿光年的空间跨度上实现广义相对论的精确宇宙学检验。

尽管如此，对宇宙学基础原理的审视仍然困难重重，尚待科学家们继续坚持不懈地努力。

Top2能够逃离银河系的恒星——超高速星

众所周知，银河系是一个由千亿颗恒星、数千个星团和星云组成的棒涡星系系统。太阳是这个庞大星系中的众多恒星之一，而地球则是太阳系八大行星中的一颗。

长期以来，人们认为银河系恒星都以大约100千米/秒的速度围绕银河系中心运动，这就使它们无法摆脱引力作用从银河系逃离，就像地球无法从太阳系逃离一样。

1988年，美国天文学家希尔斯在英国《自然》杂志上发表文章预言：密近双星系统与银河系中心超大质量黑洞的潮汐作用，会将双星系统中的一颗恒星以高达4000千米/秒的速度抛射出去。他称之为超高速星，并指出它们与银河系大多数恒星不同，能够逃逸出去。希尔斯的预言第一次向人类揭示了超高速星的存在，为十多年后第一颗超高速星的发现及后来的研究工作奠定了理论基础。

2005年对超高速星研究领域而言是意义重大的一年。美国天文学家布朗在观测银河系晕中的蓝水平分支星时，意外发现了一颗距离银河系中心55kpc且视向速度高达853千米/秒的B型主序超高速星（SDSS J090744.99+024506.9），它从银河系中心被超大质量黑洞抛射出来，是人类观测到的第一颗超高速星。它的发现无疑是宇宙探索史的重要里程碑之一，不仅证实了超高速星和银河系中心超大质量黑洞的存在，还为更加深入地理解银河系提供了一种新的研究手段。

此后，德国天文学家赫希在美国斯隆巡天的100个亚矮O型恒星（sdO）中发现了第二颗起源于银河系中心的超高速星（US708），它距离银河系中心约26kpc，视向速度超过700千米/秒。与被发现的第一颗超高速星不同，它已经离开主序阶段演化到恒星晚期。另一位德国天文学家艾德曼在观测亚矮B型恒星（sdB）时，也意外发现了一颗超高速星（HE 0437），这是一颗大质量（8倍太阳质量）、视向速度为723千米/秒的恒星，艾德曼认为这是一颗来自大麦哲伦云的超高速星。为了证实艾德曼的观点，布朗使用哈勃空间望远镜重新测量了这颗星的自行，最终确定它仍然是来自银河系中心黑洞附近的超高速星。这三颗意外发现的超高速星，为人们揭开了超高速星神秘面纱的一角，也开启了超高速星搜寻、观测和研究的先河。