揭秘宇宙加速膨脹背后的暗能量

揭秘宇宙速膨脹背后暗能量作者：趙公博張新民《光明日?qǐng)?bào)2017年06月日13版不前由國學(xué)國天臺(tái)與世最星巡eBOSS際技劃作組利宇深的星測(cè)到顯的子波蕩號(hào)這也證暗量在一新獨(dú)證，起世的泛注暗量底什？暗量何測(cè)宇加膨背的理制底什？因坦立廣相論錯(cuò)么本特eBOSS國際作星成性作聯(lián)組中院家文研員公博中科院能理究研員新從能的現(xiàn)起深解這個(gè)在動(dòng)宙速脹神力以國外能研的來展勢(shì)1.暗能確存，宙正加膨科學(xué)家不久前發(fā)現(xiàn)顯著重子聲波振蕩信號(hào)人類首次利用宇宙深處的類星體進(jìn)行的重子聲波振蕩測(cè)量并超新星宙微波背景輻射觀測(cè)之后獲得了暗能量存在的又一獨(dú)立證據(jù)，這也再次證實(shí)了宇宙在加速膨脹。重子聲波振蕩是早期宇宙中聲波振蕩留下的遺跡，在宇宙爆炸后約38萬，聲波振蕩信息被“凍結(jié)今宇宙中，包含著與大爆炸時(shí)相同的重子聲波振蕩信號(hào)，所以可將其作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”測(cè)量宇宙遙遠(yuǎn)天體間的距離從而確定宇宙的膨脹速度。在介紹加速膨脹之前，我們先簡要回顧膨脹宇宙的發(fā)現(xiàn)歷史年美國天文學(xué)家哈勃（）分析了與銀河系近鄰的24個(gè)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，驚奇地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在紅移現(xiàn)象比于經(jīng)典物理學(xué)中的多普勒現(xiàn)象系譜的紅移表明這些天體在逐漸遠(yuǎn)離我們哈勃還發(fā)天退行速度與它們離我們的距離成正比這就是著名的哈勃定律其系數(shù)被稱作哈勃數(shù)哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時(shí)空膨脹效應(yīng)意味著整個(gè)宇宙處于膨脹狀態(tài)之中這發(fā)現(xiàn)在時(shí)震驚世界甚至讓很多人不安因?yàn)榇税l(fā)現(xiàn)讓千百年來認(rèn)為“宇宙為靜態(tài)”的觀點(diǎn)被打破。哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時(shí)空膨脹效應(yīng)常引力效應(yīng)只能讓宇宙減速膨脹科家假設(shè)了一種能推動(dòng)宇宙加速膨脹的未知神秘力量之為暗能量它具有負(fù)壓強(qiáng)能時(shí)空在宇宙學(xué)尺度上加速膨脹。要確定宇宙的膨脹是加速還是減速要量遙遠(yuǎn)天體的距離和紅移關(guān)系文上常用的測(cè)距方法過量天體亮度來推斷距離選取具有絕對(duì)亮度的天體作為標(biāo)準(zhǔn)。由恒星演化到最后發(fā)生爆炸而形成的超新星可以擔(dān)任這個(gè)角色發(fā)時(shí)亮度能與整個(gè)星系相比擬，從很遠(yuǎn)的距離外都能觀測(cè)到。1998年由美國、澳大利亞科學(xué)家導(dǎo)的兩個(gè)研究小組，幾乎同時(shí)在超新星觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的證據(jù)此得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——在北京時(shí)間年10月日典皇家科學(xué)院宣布將2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家、國澳利亞科學(xué)家Brian美國科學(xué)家彰他們一項(xiàng)震驚世界的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：宇宙正在加速膨脹！此次的重子聲波振蕩信號(hào)是人類首次通過觀測(cè)宇宙深處的類星體成團(tuán)性發(fā)現(xiàn)的類星體非常遙遠(yuǎn)在看到的是它們?cè)谟钪嬲Q生后億年到70億年間發(fā)出的光在球形成之前。之前eBOSS國合作組的專家都是用星系進(jìn)行重子聲波振蕩測(cè)量次是用類行星，并且是高紅移的類星體進(jìn)行測(cè)量，這與之前利用低紅移星系進(jìn)行的測(cè)量形成了很好的互補(bǔ)。那么什么是類星體？為什么會(huì)選擇用它來觀測(cè)？類星體是1963年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一

類特殊天體們?yōu)榭雌饋硎撬坪阈堑奶祗w而得名際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠(yuǎn)天體們中心其實(shí)是質(zhì)量太陽千萬倍以上的超質(zhì)量黑洞些黑洞周圍豐富的物質(zhì)發(fā)出巨大能量使類星體成為宙中最耀眼的天體乎在整個(gè)宇宙空間中我都能看到類星體。重子聲波振蕩實(shí)際上反映了時(shí)空中物質(zhì)分布的狀況質(zhì)密度越高的地方系和類星體也越多。這次選擇類星體來觀測(cè)，主要是比較亮一些，在更遙遠(yuǎn)的地方都可以看到。2015年今eBOSS國合作組順利完成了類星體巡天觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理，以及暗能量等宇宙學(xué)前沿問題研究實(shí)了利用紅移類星體開展宇宙學(xué)研究的可行性與優(yōu)勢(shì)后類星體亮紅星系以及發(fā)射線星系天奠定了基礎(chǔ)項(xiàng)也受到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院“宇宙結(jié)構(gòu)起源”先導(dǎo)B類項(xiàng)的支持。2.宇宙約的能是暗量供，25%由物提，而們悉普物只5%在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)上了解宇宙在過去不同時(shí)刻的膨脹率而定宇宙的膨脹是加速還是減速，就需要測(cè)量更遙遠(yuǎn)天體的距離和紅移的關(guān)系。天體的紅移可以通過其光譜直接測(cè)量是測(cè)量天體與我們的距離卻非常困難文上常用的測(cè)距方法是通過測(cè)量天體的亮度（它們和天體的星等相聯(lián)系）來推斷距離。因此，在測(cè)距過程中要選取那些具有已知的絕對(duì)亮度的天體作為觀測(cè)對(duì)象類體被稱標(biāo)燭光過測(cè)量不同紅移處標(biāo)燭光的亮度，并利用亮度與紅移（或者星等與紅移）的關(guān)系，我們就可以用它來確定宇宙膨脹率與時(shí)間的依賴關(guān)系。宇宙中確實(shí)存在我們需要的標(biāo)準(zhǔn)燭光：型新星（類新星是雙星系統(tǒng)中，白矮星吸積物質(zhì)或雙白矮星并引起爆發(fā)形成的類星體在爆發(fā)時(shí)非常明亮在短短幾周內(nèi)其度可以與整個(gè)星系相擬，在很遙遠(yuǎn)的距離上都可以觀測(cè)到。經(jīng)過多年努力，由PerlmutterSchmidt和領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)獨(dú)立的超新星研究小組在1998年幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)宙深處的超新星比一個(gè)通常的以物質(zhì)為主的宇宙所給出的要暗個(gè)觀測(cè)證據(jù)表明宙膨脹正在加速！除超新星以外，重子聲波振蕩）探測(cè)宇宙膨脹歷史的另一枚重要探針。在宙早期重子物質(zhì)與光子緊密耦合在力和光子壓強(qiáng)兩種相反的作用力下形成類似聲波一樣的振蕩隨宇宙膨脹，溫度低，這種聲波振蕩使得重子物質(zhì)逐漸相互遠(yuǎn)離宇大爆炸后約萬的微波背景輻射CMB）期。從此光子與重子不再相互作用，聲波振蕩過程結(jié)束，星系之間的距離被“凍結(jié)”在一個(gè)特定的宇宙學(xué)尺度上，即尺。尺度大約為兆差（約4.9億年體數(shù)值依賴于宇宙學(xué)參數(shù)。觀測(cè)上，我們以通過測(cè)量不同尺度上星系對(duì)的數(shù)宙學(xué)上稱為星系的兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)量BAO尺度，進(jìn)而測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)。由于利用BAO尺直接受宇宙幾何影響，而且BAO測(cè)幾乎不受系統(tǒng)誤差影被稱為測(cè)量宇宙幾何的標(biāo)準(zhǔn)尺。目前國際上最大的巡實(shí)驗(yàn)為國的斯隆數(shù)字巡天（第期的重子聲波振蕩光譜巡天BOSS）過測(cè)量一百萬條星系光譜，首次在有效紅移0.57處BAO距測(cè)量精提高到的平功多個(gè)宇宙學(xué)移測(cè)得高精度的BAO信號(hào)，為宇宙學(xué)研究提供重要觀測(cè)支持的觀測(cè)獨(dú)立地表明，宇宙確實(shí)正在加速膨脹！宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光、宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺以及CMB在制宇宙學(xué)參數(shù)方面高度互補(bǔ)。結(jié)合、BAO和的觀測(cè)數(shù)據(jù)，目宇宙中約70%的量是由一種稱為暗能量的未知能量組分提供，約25%一種稱為暗物質(zhì)的未知物質(zhì)形式提供，而我們熟悉的普通物質(zhì)只占5%左右。3.暗能的質(zhì)定宇宙命我們可以看出宇宙膨脹加速宇宙標(biāo)度因子對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為正宙中總的壓強(qiáng)

必為負(fù)值今的宇宙是由一種具有很強(qiáng)負(fù)壓的物質(zhì)所主子物質(zhì)和暗物質(zhì)壓強(qiáng)為0這種神秘的負(fù)壓物質(zhì)就是暗能量目對(duì)暗能量的本質(zhì)知之甚少解它具有負(fù)壓強(qiáng)，且近乎光滑即不結(jié)團(tuán)暗量更多性質(zhì)由其壓強(qiáng)與能量密度的比值狀方程參數(shù)來描述。暗能量的本質(zhì)決定著宇宙的命運(yùn)果速膨脹是由真空能引起的么宙將永遠(yuǎn)延續(xù)這種加速膨脹的狀態(tài)宙中的物質(zhì)和能量將變得越來越稀薄系間互相遠(yuǎn)離的速度將變得非?？欤碌慕Y(jié)構(gòu)不可能再形成。如果導(dǎo)致當(dāng)今宇宙加速膨脹的暗能量是動(dòng)力學(xué)的，那么宇宙的未來將由暗能量場的動(dòng)力學(xué)決定可能會(huì)永遠(yuǎn)加速膨脹下去有能重新進(jìn)入減速膨脹的狀態(tài)，甚至可能收縮，特別是在精靈暗能量框架下，宇宙將有可能是循環(huán)的，即膨脹－收縮－再膨脹－再收縮??循環(huán)往復(fù)。從天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取暗能量狀態(tài)方程隨紅即時(shí)間的演化歷史對(duì)探索暗能量的本質(zhì)至關(guān)重要，因此，這也是國內(nèi)外許多正在運(yùn)行SDSS巡）和計(jì)劃中的大型巡天計(jì)劃（、Euclid、等的首要科學(xué)目標(biāo)之一。4.愛因坦立廣相對(duì)錯(cuò)么愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論是迄今為止最成功的引力理論確性從實(shí)驗(yàn)室尺度到太陽系尺度都得到了高精度的驗(yàn)證宙學(xué)尺度上相對(duì)論的正確性還只是假設(shè)。目前的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)精度還不足以在如此大的時(shí)空尺度上證實(shí)或者證偽廣義相對(duì)論此宙時(shí)空的加速膨脹現(xiàn)象原則上有可能通過修正或者推廣廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，這并不是科學(xué)家第一次感到引力理論有修正的必要20世初，愛因斯意識(shí)到牛頓引力（絕對(duì)時(shí)空觀不適用于接近光速運(yùn)動(dòng)的物體不能準(zhǔn)確描述強(qiáng)引力場中的物體膽使用相對(duì)時(shí)空觀取代了絕對(duì)時(shí)空觀了狹義和廣義相對(duì)論，為百年來的物理和天文學(xué)研究奠定了基石斯坦場方程的右邊是表征物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)的物理量，稱為能量動(dòng)張量，方程左邊則是時(shí)空曲率。此方程清楚表明，廣義相對(duì)論認(rèn)為物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)決定了時(shí)空曲率時(shí)曲率又反過來影響物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和分布前文所述由物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙無法時(shí)空加速膨脹而引入具有負(fù)壓的暗能量這實(shí)際上是修正愛因斯坦方程右側(cè)另一種解決方案則是直接修正時(shí)空曲率項(xiàng)修正愛因斯坦方程左側(cè)，這就是修正引力論。原則上引與暗能量模型可以給出完全相同的宇宙背景膨脹歷0階理量但是它們卻預(yù)言了完全不同的宇宙結(jié)構(gòu)形成歷史（即1階動(dòng)此，利用星系大尺度結(jié)構(gòu)巡天，我們可以通過觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)形成，來區(qū)分修正引力與暗能量這兩種物理機(jī)制，并對(duì)修正引力模型進(jìn)行觀測(cè)限制。目前已建立的修正引力模型包括標(biāo)量張量理論、矢量-張理論、帶質(zhì)量引力理論等。數(shù)學(xué)形式上些論都要比廣相對(duì)論復(fù)雜此研究這些理論預(yù)言的宇宙結(jié)構(gòu)形成往往需要借助大規(guī)模數(shù)值模擬。5.未來5至10年暗量究黃時(shí)“工欲善其事，必先利其器于暗能量的研究來說，開展大規(guī)模的巡天實(shí)驗(yàn)是重中之重。未來5到10年內(nèi)，我國和國際上將運(yùn)行一批（國際上稱為第四代）大型地面和空間暗能量項(xiàng)目，包括我國的空間站巡天，天籟計(jì)劃，國際上的DEuclid等目，揭示宇宙加速膨脹背后的新物理。這些項(xiàng)目將從宇宙小尺（星系者星系團(tuán)尺度到尺（星系成團(tuán)尺度和宇宙背景演化尺度全