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    天文理论 天文理论 关注:85 内容:55

    为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

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      Lv.5伽马射线
      VIP1
      牛顿

      宇宙膨胀速率的加速被归因于神秘的“暗能量”,暗能量约占宇宙的70%。牛津大学Rudolf Peierls理论物理中心的Subir Sarkar教授、与巴黎天体物理研究所、哥本哈根Niels Bohr研究所的合作者使用了对740 Ia型超新星的观测,以表明这种加速是一种相对局部的效应,即它是沿着我们似乎相对于宇宙微波背景移动的方向(表现出类似的偶极各向异性)。虽然这种加速的物理原因还未可知,但它不能归因于暗能量,因为暗能量会在所有方向上造成相等的加速度。

      为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      宇宙学标准模型基于宇宙围绕所有观测者是各向同性的假设,这个宇宙学原理是哥白尼原理的延伸——即我们不是特权观察者。它为使用爱因斯坦广义相对论的宇宙学模型数学构造提供了巨大的简化。然而,当在这个框架内解释观测数据时,会得出一个惊人的结论:大约70%的宇宙是由爱因斯坦宇宙学常数或更普遍的“暗能量”构成。这被解释为由于真空的量子零点能涨落,但相关的能量标度是由H0(宇宙目前的膨胀率)设定。然而,这比粒子物理标准模型(精确描述所有亚原子现象的成熟量子场理论)的能量标度低1044倍。

      为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      因此,零点能波动具有巨大的能量密度,如果它们确实通过引力影响了宇宙膨胀率,那么它就会阻止宇宙达到现在的年龄和大小。对于这个宇宙学常数问题,必须加上“为什么是现在?”问题,也就是为什么暗能量直到接近目前才开始主宰宇宙?在早期,它可以忽略不计,特别是年龄在约40万年岁的时候,当原始等离子体充分冷却形成原子和宇宙微波背景(CMB)辐射被释放时(因此CMB对暗能量不直接起作用)。正是在这种背景下,2011年诺贝尔物理学奖的主要贡献是:

        为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      两组天文学家在1998年“通过观察遥远的超新星,发现了宇宙的加速膨胀”。这是基于对大约60颗Ia型超新星的观察,但与此同时,样本已经增长,并且在2014年时,这些数据提供了散布在天空中的740个物体(联合光曲线分析目录)。研究人员观察膨胀速率的推论加速度是否在天空中是均匀的。首先,计算出测量到的超新星红移和视星等(在日心系中),撤消了JLA目录中对局部‘特殊’(非哈勃)速度所做的修正。这是为了确定它们在宇宙微波背景框架中的值。

      暗能量

      在宇宙微波背景框架中宇宙看起来应该是各向同性的,以前的研究已经表明,这样的修正是值得怀疑的,因为奇特的速度不会随着距离的增加而减弱,因此即使在十亿光年之外。当后面使用标准的最大估计统计量来提取参数值时,天文学家们有了一个惊人的发现,超新星数据表明,统计显著性为3.9cmb的推论加速中的偶极各向异性,与在局部移动的方向相同,这是由cmb中一个类似的偶极所指示。

        为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      相比之下,任何可以归因于暗能量的各向同性(单极)加速度都是暗能量的50倍,并且在1.4σ时为零。根据贝叶斯信息准则,最适合数据的实际上没有各向同性分量。研究表明,能用来拟合超新星光曲线的参数红移演化并不会改变结论,从而驳斥了先前对该方法的驳斥。其分析是由数据驱动的,但支持克里斯托斯·Tsagas(塞萨洛尼基大学)提出的理论,即当我们不是哥白尼观察者(通常假设),而是嵌入到附近星系“共享”的局部大块流中时,加速度可能被推断出来,这确实是观察到。

        为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      这在标准宇宙学模型中是意想不到的,而且这种流动的原因仍然无法解释。但除此之外,似乎加速度是局部流的产物,所以暗能量不能作为其原因。事实上,关于宇宙膨胀历史的其他探测器,例如星系分布中重子声学振荡(BaO)的印记,最古老恒星的年龄,结构的增长速率等,但这样的数据仍然太稀疏,目前与非加速宇宙同样一致。宇宙微波背景辐射中精确测量的温度波动对暗能量并不直接起作用,尽管它的存在通常是从理论中推断出来,即虽然宇宙微波背景测量宇宙的空间曲率接近于零。

        为什么宇宙加速膨胀,被归因于神秘的“暗能量”?

      但它的物质含量并不等于使其接近零的临界密度,然而,这只有在完全同质性和各向同性的假设下才是正确的,这两个假设现在都有问题。但未来很快就会取得进展,大型天气巡天望远镜将测量更多的超新星,并确认或排除减速参数中的偶极。暗能量光谱仪和欧几里德卫星将精确测量重子声学振荡和透镜。欧洲超大型望远镜将在一段时间内测量远源的“红移漂移”,从而直接测量宇宙的膨胀历史。


      博科园|研究/来自:牛津大学

      参考期刊《天文学与天体物理学》

      DOI: 10.1051/0004-6361/201936373

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