暗能量如何塑造宇宙:可能在早期宇宙中也出現過
2020年03月09日08:44
暗能量是如何塑造我們的宇宙的?
暗能量是如何塑造我們的宇宙的?

  新浪科技訊 北京時間3月9日消息,目前最為流行的宇宙學模型認為,在宇宙加速膨脹的背後,是一種我們稱為“暗能量”的神秘力量,而這種難以察覺的能量形式是恒定不變的。

  然而,根據一項新的研究,暗能量完全有可能在過去發生了變化。參與研究的科學家提出,這些變化可能導致了宇宙中充滿了我們日常所見的常規物質。從現在觀測到的情況來看,宇宙中發生了一些奇怪的事情:它在膨脹,但也充滿了物質。隨著時間的推移,所有這些物質的引力應該都會減緩宇宙的膨脹。然而,宇宙膨脹並沒有放緩,甚至沒有保持相同的速率,而是膨脹得越來越快。

  每過一天,我們的宇宙就變得越來越大,越來越快。宇宙學家將導致這種加速膨脹的能量形式稱為“暗能量”,部分原因是我們根本不知道它到底是什麼,從哪裡來,將來會發生什麼。我們所知道的是,從大約50億年前開始,暗能量就開始存在並持續至今。

  我們還知道,在這50億年里,暗能量的“強度”(通過其密度來衡量)保持得相當穩定。暗能量似乎並沒有隨著時間的推移而變弱或變強,這使它成為一個宇宙常數。然而,早期的宇宙非常奇怪,而在很久以前可能發生了一些更加奇怪的事情。如果這些事情真的發生過,那它們可能就會對宇宙歷史的其餘部分產生巨大的影響。

  雖然我們幾乎不瞭解暗能量的性質或成因,但我們知道,暗能量除了加速宇宙的膨脹之外,別無它用。這是因為,從宇宙學的角度來說,今天的宇宙呈現出古老、寒冷和近乎死亡的狀態。

  這種大範圍的沉寂意味著宇宙中沒有足夠的能量(暗能量或其他)存在。如果暗能量出現一些特別的情況,比如隨時間而變化,其實並不會有很大的影響,因為它已經非常微弱了。是的,暗能量正在加速宇宙的膨脹,但作用很輕微。這也是科學家花了這麼長時間才確定其影響的原因。這一特點既限製了暗能量對宇宙的影響,也限製了我們對它的瞭解;對宇宙學家來說,可以測量的暗能量效應並不多。相比而言,早期的宇宙要熱得多,密度更大,更緊湊,尤其是更富有能量。

  儘管暗能量在大約50億年前出現在宇宙中,但這並不一定是它的首次出現。暗能量可能存在於年輕的宇宙中,並推動宇宙發生各種各樣有趣的變化,然後暫時消失在背景中。最近,一組理論物理學家在思考這樣早期的暗能量可能會做些什麼,他們在2019年11月的一篇論文中報告了研究結果,並將其上傳到預印本服務器arXiv.org上。

  研究人員發現,暗能量的短暫波動可能會讓夸克、膠子和輕子等奇異粒子充滿早期宇宙,最終凝結成我們今天所知的原子。

  根據這些研究人員的說法,這次變化一定是在宇宙暴脹之後發生的,當時宇宙在很短的時間內變得非常大。在暴脹之後,整個宇宙幾乎都是空的;暴脹前的所有物質都像風中的灰塵一樣被吹散了。在那之後,必須有什麼東西來“重新加熱”宇宙,在我們常說的“大爆炸”中為宇宙帶來新一輪的粒子。

  大多數理論物理學家認為,無論是什麼引起了宇宙暴脹,其本身一定也發生了再加熱過程。但這項新研究表明,早期的暗能量可能通過失去自身能量的方式產生了大量的粒子。這是一個有趣的說法,但研究人員的假設仍然必須與之前鞏固了我們對大爆炸和宇宙暴脹理解的觀測結果相吻合。如果暗能量是導致宇宙再熱的原因,那麼我們應該會看到宇宙微波背景的標準圖像模型的細微變化,這些變化反過來又影響了現代宇宙中星系的模式。

  到目前為止,宇宙再次加熱的新模型與當前的所有觀察結果都是吻合的,甚至比傳統的宇宙暴脹理論還更合理一些。但是,我們沒有足夠的信息來判斷這是否只是統計上的巧合。新一代的天體物理學工具,如美國國家航空航天局的大視場紅外巡天望遠鏡(WFIRST),可能將有助於科學家更好地理解暗能量及其在早期宇宙和今天宇宙中的作用。

  暗能量及其存在證據

  通過目前的觀測數據,科學家估計,宇宙中70%的能量由暗能量提供,約25%由暗物質提供,而我們日常所見的普通物質只提供了5%。我們目前對暗能量的本質瞭解很少,只知道它具有負壓強,且近乎光滑(即不結團)。暗能量的更多性質由其壓強與能量密度的比值,即狀態方程參數來描述。

  暗物質的本質決定著宇宙的命運。真空本身具有的能量稱為“真空能”,如果導致宇宙加速膨脹的是真空能,意味著宇宙將永遠加速膨脹,宇宙中的物質和能量將越來越稀薄,星系之間將以越來越快的速度遠離彼此,新的結構永遠不可能再形成。如果導致如今宇宙加速膨脹的暗能量是動力學的,則宇宙的未來將由暗能量場的動力學決定,有可能永遠加速膨脹,也可能重新進入減速膨脹狀態,甚至可能收縮。

  從天文觀測數據中瞭解暗能量狀態方程隨時間的演化歷史,對於探索暗能量本職至關重要。這也是許多大型巡天計劃的最重要科學目標之一。2017年,世界最大星系巡天eBOSS國際科技計劃合作組織利用宇宙深處的類星體觀測到了顯著的重子聲波振盪信號,成為證明暗能量存在的又一獨立證據,也再次證明了宇宙在加速膨脹。(任天)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽