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直到20世纪,人们还认为宇宙是静态的!哈勃却发现宇宙在膨胀

2019-11-08
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科学家们发现,一种被称为“暗能量”的神秘能量约占宇宙总能量含量的68%,但到目前为止我们还不太了解它。探索暗能量的本质是NASA建造宽视场红外探测望远镜(WFIRST)的主要原因之一,这是一个空间望远镜,其测量结果将有助于阐明暗能量之谜。随着对暗能量的更好理解,将对宇宙的过去和未来演化有更好的认识。直到20世纪,大多数人认为宇宙是静态的,在整个永恒中基本上保持不变。

当爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论,描述了引力如何在时空结构中运动时,他困惑地发现,这个理论表明宇宙必须要么膨胀,要么收缩。为了保持一个静态的宇宙,他做了一些改变,增加了一种他称之为“宇宙常数”的东西,尽管没有证据表明它确实存在。这种神秘的力量被认为能抵消引力,使一切保持在适当的位置。然而,当20世纪20年代即将结束时,天文学家乔治·勒梅特(Georges Lemaitre),然后是埃德温·哈勃(Edwin Hubble),做出了一个令人震惊的发现:除了极少数例外,星系正在相互竞跑。

宇宙远非静止,而是正在向外膨胀。因此,如果我们想象倒退这种膨胀,一定有一段时间宇宙中的一切都在几乎不可能的热在一起,最终会达到一个起点,这个点就是奇点,也是宇宙大爆炸的开始。大爆炸理论描述了宇宙从最初的超热、超稠密状态的膨胀和演化。科学家们推测,引力最终会减缓,甚至可能完全逆转这种膨胀。如果宇宙中有足够的物质,引力就会克服膨胀,宇宙就会在炽热的“大嘎吱声”中崩溃。否则,膨胀永远不会结束,星系会越来越远,直到它们越过可观察到的宇宙边缘。

我们遥远的后代可能不知道其他星系的存在,因为它们太远了,看不见。随着宇宙逐渐褪色成冰冷的黑色,现代天文学的大部分可能有一天会沦为传说。天文学家已经通过使用地面望远镜来研究相对较近的超新星爆炸来测量膨胀速率。这个谜团在1998年升级,当时哈勃太空望远镜对更遥远的超新星观测帮助表明,宇宙在过去实际上比现在膨胀得更慢。正如很多人所认为的那样,宇宙的膨胀并没有因为引力而减慢,反而在加速。

把时间快进到今天,虽然我们仍然不知道到底是什么导致了加速,但它已经被命名为暗能量。这种神秘的能量很长时间都没有被发现,因为它太弱了,以至于引力在人类、行星甚至银河系的规模上压倒了它。当你看书的时候,它就在你的房间里,在你的身体里,但是引力抵消了它,所以你不会飞出你的座位。只有在星系间的尺度上,暗能量才会变得引人注目,就像是对引力的一种微弱斥力。


什么是暗能量?

暗能量到底是什么?未知比已知的更多,但理论家们正在寻找几种可能的解释。宇宙加速可能是由一种新的能量成分引起,这需要对爱因斯坦的引力理论进行一些调整(宇宙常数)爱因斯坦称之为他最大的错误。或者,爱因斯坦的引力理论可能会在宇宙学尺度上崩溃。如果是这样的话,这个理论将需要被一个新的理论所取代,它包含了我们已经观察到的宇宙加速度。理论家们仍然不知道正确的解释是什么,但WFIRST将帮助我们找到答案。

WFIRST或将发现暗能量

之前的任务已经收集了一些线索,但到目前为止,还没有产生强烈倾向于一种解释而不是另一种解释的结果。WFIRST具有与哈勃相机相同的分辨率,但视野是哈勃相机的100倍,它将生成前所未有的宇宙大照片。这项新任务将通过绘制宇宙中物质的结构和分布,以及通过测量大量遥远的超新星,以其他望远镜无法做到的方式,推进对暗能量之谜的探索。这些结果将表明暗能量如何在宇宙中起作用,以及它是否以及如何在宇宙历史上发生了变化,这次任务将使用三种方法来寻找暗能量的解释。

高纬度光谱测量将使用“标准尺”技术测量数百万星系的精确距离和位置。测量星系的分布如何随距离变化,将给我们一个了解暗能量随时间演化的窗口。这项研究将把星系的距离与宇宙大爆炸后的声波回声联系起来,并将检验爱因斯坦关于宇宙年龄的引力理论。高纬度成像调查将测量大量星系和星系团的形状和距离。巨大物体的巨大引力扭曲了时空,导致更遥远的星系出现扭曲。通过观察扭曲的程度,科学家可以推断出整个宇宙的质量分布。这包括我们可以直接看到的所有物质,比如行星和恒星,以及暗物质:

另一个宇宙之谜,只有通过它对正常物质的引力作用才能看到。这项研究将提供对宇宙中大型结构的增长以及暗能量如何影响宇宙的独立测量。WFIRST还将对一种类型的爆炸恒星进行观测,这是建立在导致加速膨胀发现的观测基础上。Ia型超新星发生在白矮星爆炸时。Ia型超新星通常在其峰值时具有相同的绝对亮度,使它们成为所谓的“标准蜡烛”。这意味着天文学家可以通过观察它们离地球多远来确定它们有多远,离地球越远,看起来就越暗。天文学家还将观察来自超新星的特定波长的光,以找出垂死的恒星离开我们的速度有多快。

通过将距离与亮度测量相结合,科学家将看到暗能量是如何随着时间的推移而进化的,提供了与两个高纬度调查的交叉核对。WFIRST任务在结合这三种方法方面是独一无二的,它将能促使对暗能量影响非常有力和丰富的解释,并使我们能够对暗能量的性质做出明确定义。发现暗能量在过去是如何影响宇宙的膨胀,将会对未来宇宙膨胀产生怎样的影响。如果它继续加速宇宙的膨胀,抑郁症可能注定要经历一场“大撕裂”,探索暗能量将使我们能够研究,甚至可能预见宇宙的命运。


博科园|研究/来自:美国宇航局戈达德太空飞行中心

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