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中科院研究员:揭秘宇宙加速膨胀背后的暗能量

发布时间:2017-12-04 阅读:

  中国科学院研究员:揭开宇宙膨胀背后的黑暗能量 - 新闻 - 科学网

  不久前,中国科学院国家天文台所研究的世界上最大的银河eBOSS星座,在深空宇宙中使用类星体测量了重要的重子声波振荡,这是一个证明暗能量存在的新的独立证据,引起世界的广泛关注。暗能量到底是什么?黑暗的能量如何观察?宇宙加速扩张背后的物理机制是什么?爱因斯坦的广义相对论是错误的吗?在这个问题上,中国科学院国家天文台研究员赵功波和中国科学院高能物理研究所研究员张新民邀请eBOSS国际合作组作为银河系集群工作组的联合负责人,就黑暗能源的发现,神秘力量以及国内外黑暗能源研究的未来发展等问题发表了看法。

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  1.暗能量确实存在,宇宙正在加速扩张

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  科学家们不久前就注意到了一个重要的重子声波振荡信号。这是人类第一次利用宇宙深空类星体测量的重子声波振荡。在观测到超新星和宇宙微波背景辐射之后,他又获得了暗能量存在的又一个独立证据。这再次证实了宇宙正在加速扩张。

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  重子声波振荡是宇宙爆发后约38万年的早期宇宙中声波振荡留下的痕迹,声波振荡信息被冻结。今天,宇宙仍然包含着与大爆炸相同的重子振荡,所以它可以作为衡量宇宙中远物之间距离的尺子来决定宇宙膨胀的速度。

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  在介绍加速通货膨胀之前,让我们回顾一下发现宇宙膨胀的历史。1929年,在分析了银河系附近24个星系的观测资料后,美国天文学家埃德温·哈勃惊奇地发现,大部分星系光谱类似于经典物理中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些物体正在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体的退化速度正比于它们与我们的距离,即着名的哈勃定律,其系数称为哈勃常数。哈勃发现的是时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态。这一发现震惊了当时的世界,让许多人感到不安,因为这一发现打破了宇宙静止了数百年的观点。

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  哈勃发现了时空扩张的效应。通常的引力作用只允许宇宙减速,科学家们假设一个未知的神秘力量可以加速宇宙的扩张,被称为暗能量,它具有负压力,可以加速宇宙尺度上的时空扩展。

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  为了确定宇宙的扩张是加速还是减速,测量遥远物体的距离和红移。天体测量常用的测距方法是测量天体的亮度来推断距离,有必要选择绝对亮度的天体作为标准。超新星由一颗恒星演变为一次爆炸,可以发挥这个作用。爆发的亮度可以与整个星系相比,从很远的距离都可以观察到。

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  1998年,美国和澳大利亚科学家领导的两个研究小组几乎同时在超新星观测中发现了暗能量存在的证据,并获得了诺贝尔物理学奖。 2011年10月4日,瑞典皇家科学院科学院宣布将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家索尔·珀尔穆特(Saul Perlmutter),美国 - 澳大利亚科学家布莱恩·施密特(Brian P. Schmidt)和美国科学家亚当·Rss(Adam R. Rss)震惊世界的科学发现:宇宙在加速!

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  重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体而发现的。这些类星体如此遥远,以至于在地球形成之前,他们现在就能看到它们在宇宙诞生之后的30亿到70亿年之间发出的光。

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  以前的eBOSS国际合作组的专家正在利用星系进行重子声波振荡,这次使用的是准行星,并且是一个红移的类星体来衡量,与之前测量的低红移星系形成了很好的互补性。

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  那么什么是类星体?为什么选择使用它来观察?类星体是天文学家在1963年发现的一种特殊类型的天体,它们以其看起来像星星的天体而命名,但实际上它们实际上是远离星系的天体。他们的中心实际上是一个超大质量的黑洞,是太阳质量的1000万倍。这些黑洞周围的物质财富蕴藏着巨大的能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的物体。几乎在整个宇宙中,我们可以看到类星体。

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  声波声纳振荡实际上反映了物质在空间和时间上的分布。如果材料密度较高,则有更多的星系和类星体。这次选择的类星体观测,主要是比较亮的,可以在更远的地方看到。

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  自2015年以来,eBOSS国际合作组成功完成了类星体测量与数据处理以及暗能量等宇宙学前沿问题,证实了利用红移类星体进行宇宙学研究的可行性和优势。明亮的红色星系和发射舰星系巡逻奠定了基础。该项目也得到了国家自然科学基金和中国科学院的支持。

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  2.宇宙中大约70%的能量是由暗能量提供的,大约25%是由暗物质提供的,我们所熟悉的事物只有5%

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  在实验观测中,有必要测量较远天体与红移之间的距离,以便了解过去不同时间宇宙膨胀的速度,从而确定宇宙膨胀是加速还是减速。

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  天体的红移可以直接用光谱来测量,但用我们来衡量天体是非常困难的。天文常用的测距方法是通过测量天体的亮度(与天体的大小有关)来推断距离。因此,在测距的过程中,选择那些已知对象的绝对亮度的人作为观察对象,这种类型的对象被称为标准烛光。通过测量不同红移的标准蜡烛的亮度,并利用亮度和红移(或大小和红移)之间的关系,我们可以用它来确定宇宙膨胀的时间依赖性。

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  我们需要宇宙中的标准蜡烛:Ia型超新星(SN)。这种超新星是由双星系统中的白矮星形成,或由双白矮星组合而成。在爆发的时候,这些恒星非常明亮,在短短几个星期内,它们的亮度可以与整个星系相比较,并且可以在很远的距离观察到。经过多年的努力,两个由Perlmutter,Schmidt和Riess领导的超新星研究小组几乎在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比物质世界通常所发现的更暗。这个观察表明,宇宙的扩张正在加速!

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  除了超新星以外,重子声波振荡(BAOs)是宇宙膨胀历史的另一个重要探索,在早期的宇宙中,重子与重力的光子紧密耦合,形成声音的振荡,光子的压力随着宇宙的膨胀和温度的下降,声波振动使重子逐渐远离彼此,直到大爆炸后约38万年的微波背景辐射(CMB),从此光子和重子不再相互作用,声波振荡的过程结束,星系之间的距离被冻结到一个特定的宇宙尺度,即BAO尺度,这个尺度大约有150兆帕斯卡的差距(约4.9亿光年),依赖于宇宙学参数。可以通过测量不同尺度上的星系对的数量(宇宙学的tw星系的o点相关函数)。

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  由于BAO尺度直接受到宇宙几何的影响,而且BAO量程几乎不受系统误差的影响,所以BAO被称为测量宇宙几何的标准尺子。目前,全球最大的BAO调查是美国SDSS调查。 BOSS的第三个子通过测量一百万个星系光谱,首次在有效红移0.57 BAO距离测量精度达到1%水平并成功地在一些宇宙学红移中测量了高精度的BAO信号,提供了重要观测支持宇宙学研究。 BAO观察独立显示,宇宙确实在加速通货膨胀!

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  宇宙标准烛光,宇宙尺度和CMB在限制宇宙学参数方面是高度互补的。结合SN,BAO和CMB的观测资料,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的,约25%是由一种称为暗物质的未知物质提供的,而我们普通熟悉的只有约5%。

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  3.黑暗能量的本质决定了宇宙的命运

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  我们可以看到,宇宙的膨胀在加速,也就是宇宙尺度因子的二阶导数对于时间是正的,宇宙的总压力是负的。也就是说,今天的宇宙主体是一个负压强的物质,重子和暗物质的压力都是0),这种神秘的负压物质就是暗能量,对于当时的暗能量性质知之甚少,只知道它具有负压,接近光滑,即不形成聚类,暗能量的更多性质用压力与能量密度之比,即状态方程来描述。

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  暗能量的本质决定了宇宙的命运。如果加速通货膨胀是由真空造成的,宇宙将永远继续这种加速扩张。宇宙中的物质和能量将变得越来越薄,星系相互移动的速度将变得如此之快,以至于不会形成新的结构。如果导致今天宇宙加速膨胀的暗能量是动能的话,那么宇宙的未来将由暗场的动力决定,可能永远在加速,可能重新进入减速的状态,甚至会缩小,特别是在精灵的黑暗能量下,宇宙可能会循环,扩张 - 收缩 - 嘶嘶 - 然后来回缩小。

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  从天文观测中提取具有红移(即时间)的暗能量状态方程的演化历史,对于探索暗能量的性质是至关重要的,因此很多大规模的调查(SDSS)和计划的大规模调查计划的主要科学目标之一(DESI,Euclid,LSST等)。

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  爱因斯坦的广义相对论是错误的吗?

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  爱因斯坦所建立的广义相对论是迄今为止最成功的重力理论。从实验室规模到太阳能系统规模的准确性都得到了高度精确的验证。但是,在宇宙尺度上,广义相对论的正确性只是假设的。目前的实验观测精度还不足以在如此大的时空尺度上证实或伪造广义相对论。因此,加速宇宙时空扩展的现象原则上可以通过修改或推广广义相对论来实现。

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  事实上,这已经不是科学家第一次觉得需要修改引力理论了。 20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿的引力理论(即绝对时空概念)既不适合以光速运动的物体,也不适合在强引力场中精确描述物体。他大胆地运用相对时空的概念来代替绝对时空的概念,建立了广义相对论的特殊理论,为数百年的物理学和天文学奠定了基础。爱因斯坦领域的右边方程是描述物质分布和运动特征的物理量,称为能量动量张量,而方程的左边是时空曲率。这个方程清楚地表明,广义相对论认为,物质的分布和运动决定了时空的曲率,进而影响物质的运动和分布。如前所述,以物质为主的宇宙不能加速时空的扩展,从而引入暗能量和负压。这实际上是纠正爱因斯坦方程的右边,另一个解决方案是直接修正时空曲率项,即纠正爱因斯坦方程的左边。这是重力校正的理论。

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  原则上,修改过的引力和暗能量模型可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史(即0阶物理量),但是它们预测宇宙结构的完全不同的形成历史(即一阶扰动) 。因此,利用星系的大尺度结构来观测天空,可以通过观测宇宙结构来区分引力和暗能量纠正的两种物理机制,并限制观测到的引力模型。

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  目前已经建立的改进的引力模型包括标量张量理论,矢量张量理论和质量引力理论。数学形式,这些理论比广义相对论更为复杂,所以研究宇宙形成的理论预言往往需要依靠大规模的数值模拟。

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  5.接下来的5到10年是暗能量研究的黄金时代

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  工人要好东西,首先要好好磨。对于暗能量的研究,开展大规模的天空测量是最重要的考验。在未来的5到10年内,一批大型地空黑暗能源项目(国际上称为第四代)将在中国和国际上运行。其中包括中国的天空观测和天籁计划,国际DESI和欧几里得项目,宇宙膨胀背后的新物理学加速。

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  这些项目将全面测试从小尺度宇宙(星系团或星系团尺度)到大尺度(星系团尺度和宇宙背景演化)的暗能量动力学和广义相对论。他们将通过精确测量宇宙标准蜡烛(超新星)和宇宙尺度(BAO)来重建暗能量演化历史,并将通过红移畸变(RSD)和等效原理测试精确测试广义相对论。另外,中国西藏阿里计划在阿里巴巴完成的CMB实验将在五年内完成并投入使用。这个实验对探索宇宙原始引力波和暗能量的研究具有重要意义。

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  未来5到10年是暗能量研究的黄金时代。相信在全世界科学家的共同努力下,揭示黑暗能量的奥秘就在眼前。

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  \\ u0026 (作者:赵公博)张新民)

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