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  • 暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    宇宙在不断膨胀,但其确切的膨胀速度仍不清楚,到目前为止,只能用美国宇航局的哈勃太空望远镜和其他类似仪器来估计。此外,近年来,使用哈勃望远镜的天文学家揭示了估算宇宙膨胀率两种主要技术之间的差异。从本质上讲,哈勃望远镜收集到的数据表明,宇宙膨胀的速度比从宇宙微波背景(CMB)观测中推断出来的要快得多。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    这种被称为哈勃膨胀的差异在物理学研究领域引起了越来越大的兴趣,但迄今为止,试图解决这个问题的努力都没有成功。约翰霍普金斯大学和斯沃斯莫尔学院研究人员新提出并测试了一种可以解决哈勃望膨胀的替代模型。在发表在《物理评论快报》上的研究论文中,研究人员成功地应用了马克·卡米奥科夫斯基(Marc Kamionkowski)先前提出的暗能量模型。尽管没有成功,但之前尝试解决哈勃膨胀让我们大致了解了一个解决方案应该具有哪些特征。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    与此同时,正致力于用宇宙学的可观测物来测试弦理论结果,它预测了一个“公理”的存在,即,大量具有特殊物理性质的极轻粒子。对这些粒子的物理性质进行简单修改,就能使它具备在哈勃膨胀背景下所需要的特性。因此科学家决定朝这个方向推进,并测试这种替代模式。

    (此处已添加圈子卡片,请到今日头条客户端查看)

    如普朗克的CMB观测和SH0ES H0测量,利用之前收集的数据,研究人员将早期暗能量(EDE)模型应用于哈勃膨胀。尽管暗能量约占宇宙能量密度的75%,但在目前的宇宙学理解中,暗能量一直是个谜。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    1998年Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter和各自团队在超新星观测中首次发现了它。EDE的意思是,在宇宙学背景下,这些粒子就像暗能量的组成部分(即一种负压力流体),比目前暗能量出现的时间要早得多。这些粒子改变了宇宙在宇宙微波背景辐射光子发射前后的膨胀速度,这一数字比标准预测略高(约3%)。在研究中,Poulin和同事计算了存在EDE组成时CMB的样子。考虑到普朗克收集并用于计算的数据精确性,研究人员的预测相当详细。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    需要确切地弄清楚模型将如何表现、演化和波动,以及它将如何影响宇宙中最古老的光——宇宙微波背景,宇宙微波背景辐射很复杂,它的形状必须用数字计算,所以我们在已有的代码中添加了描述EDE的代码,以便从宇宙微波背景辐射中提取宇宙学信息。Poulin, Karwal和同事使用一台超级计算机对成千上万种不同的宇宙学进行了采样。这使得他们能够确定最适合现有宇宙观测的宇宙学,发现这个新的宇宙学模型,包括一个EDE组成,可以解决哈勃膨胀。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    从本质上说,研究人员观察到,在遥远的过去,宇宙膨胀率的一个微小的改变,如EDE产生的,可以解决哈勃膨胀关系。在研究中测试的实际模型可能只是一个所谓的玩具模型,在自然界中并没有被实现。这没有问题,因为在宇宙学中,真正重要的是这些粒子集合的动力特性(更准确地说,是它们的总能量密度和压力),而不是它们各自的微观物理特性。事实上,在研究成果发表后,已经有了对EDE的替代实现,其集合属性与研究人员提出的相似。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    总的来说,该研究有助于当前关于何时以及在多大程度上EDE必须具有动态重要性的理解,这将最终为开发更有效的宇宙学模型提供信息。考虑到普朗克数据的准确性,一种在早期占宇宙能量密度10%的流体并不会显著影响宇宙微波背景辐射,这一点非常重要,这表明它确实需要大量的数值计算。从这个项目中得到的主要结论是,反常的宇宙观测可以帮助我们探索新物理学。这项研究启发了其他研究小组研究类似的EDE模型,以解决哈勃膨胀问题。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    在改进和理解EDE模型方面,还有很多研究工作要做,但也对解决哈勃膨胀的不同方案很感兴趣。研究人员现在正计划用几种方法进一步测试模型,首先想用它来尽可能多地了解EDE的特性。事实上,虽然有许多可选的EDE模型,但这些模型产生的分辨率不如新模型产生的分辨率有效。想要了解的是为什么模型能产生更好的预测,因为研究人员的发现强调了数据对EDE特征的敏感性。

    暗能量导致宇宙加速膨胀?弦理论能否帮忙解决?

    还想看看在宇宙可观测物中是否有这些粒子的附加特征,例如已经意识到下一代CMB实验(如Simons天文台和CMBS4)可以独立于超新星观测来测试这个模型。这意味着,人们可以毫不含糊地知道,这种液体在自然界中存在,但也表明,这些模型可以影响星系群的统计特性,对此进行了大量观察。在未来,利用欧几里得卫星和LSST望远镜等空间仪器收集的新数据可以提高这组研究人员收集测量数据的准确性和范围。研究人员认为,这些观测结果也可能包含EDE指纹,尽管要准确预测这一指纹还需要额外的工作。

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