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宇宙加速膨胀的背后“黑手”!暗能量之谜②

2019-04-01 14:36 来源:光明网 
2019-04-01 14:36:20来源:光明网作者:责任编辑:蔡琳

  除超新星以外,重子声波振荡是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密结合在一起,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙的膨胀,温度降低,这种声波振荡使得物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射时期。从此,光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即被称为“宇宙标准尺”的重子声波振荡尺度。

  重子声波振荡尺度大约为4.9亿光年。天文观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目,来测量重子声波振荡尺度,进而了解宇宙的组成和演化性质。目前国际上最大的重子声波振荡巡天实验为美国的斯隆数字巡天。其第三期的重子声波振荡光谱巡天通过对一百多万颗星系进行测量,首次把重子声波振荡距离测量精度提高到1%的水平。这些观测独立的表明,宇宙确实正在加速膨胀!

  宇宙标准烛光和宇宙标准尺在宇宙学研究方面是高度互补的。结合最新观测数据,目前宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供,约25%的能量由一种称为暗物质的未知物质形式提供,而我们熟悉的普通物质只占总能量的5%左右。

宇宙加速膨胀的背后“黑手”!暗能量之谜②

图注:重子声波振荡作为宇宙标准尺示意图

(图片来源:http://sumire.ipmu.jp/en/3002/)

  我们目前对暗能量的本质知之甚少,只了解它具有负压强,且近乎光滑,不结团。那么,什么是负压物质呢?让我们来举例说明。

  想象一个密闭容器中的气体被活塞挤压,气体内能增加,体积减小,因此其压强为正。若压强为负,则需要流体的体积与其内能变化趋势相同,即内能和体积同时增加或者同时减小。这似乎与直觉相反,因此很难以想象。实际上,真空即是一种奇怪的负压物质,因为其能量密度恒常不变,当真空体积增加,其内能也随之增加。因此,真空能是暗能量的候选者之一。

  真空能实际上是爱因斯坦在100年前,为了得到静态宇宙而引进的宇宙学常数。真空能作为暗能量模型尽管没有被目前的观测排除,但是它却存在着严重的理论问题。这些通常被称为“精细调节困难”、“巧合性问题”等等的理论问题让科学家们不得不考虑其他暗能量候选者:动力学暗能量。

  动力学暗能量是随时间变化的动力学场的能量。这类模型可以解决或缓解真空能作为暗能量的巧合性问题。在过去的二十年间, 人们提出了很多动力学暗能量模型,并给它们取了颇具神秘色彩的名字,比如“精质”,“幽灵”, “精灵”,全息暗能量模型等。

  一般来说动力学暗能量,不同于宇宙学常数,会带来一系列有趣的物理现象。例如,暗能量场与电磁场的相互作用将会导致精细结构常数的改变;暗能量场有可能使中微子质量在宇宙演化过程中发生改变;动力学暗能量场有可能导致宇宙学电荷-宇称-时间反演对称性的破坏等。

  暗能量的本质决定着宇宙的命运。

  如果加速膨胀是由真空能引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成。

  如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的,那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩,特别是在精灵暗能量框架下,宇宙将有可能是循环的,即膨胀-收缩-再膨胀-再收缩……循环往复。

  作者:赵公博,系国家天文台研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院天文学系主任。2012年入选中共中央组织部青年千人计划,2016年获得英国皇家学会牛顿高级学者奖,2019年入选国家“万人计划”科技创新领军人才。主要研究方向为依托大型星系巡天的宇宙学前沿。

[责任编辑:蔡琳]

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