是什麼加速了宇宙的膨脹?
2020年05月07日08:33
宇宙膨脹的速度比科學家預測的快得多,這是宇宙學中最難以解釋的異常現象之一,也被稱為“哈勃衝突”
宇宙膨脹的速度比科學家預測的快得多,這是宇宙學中最難以解釋的異常現象之一,也被稱為“哈勃衝突”

  5月7日消息,物理學家提出,宇宙中存在著額外的成分,這或許可以解釋宇宙的膨脹速度為什麼比預期的要快。

  宇宙膨脹的速度比科學家預測的快得多,這是宇宙學中最難以解釋的異常現象之一。根據對宇宙大爆炸後不久後釋放的輻射(宇宙微波背景輻射)進行測量,物理學家預測了宇宙的膨脹速率,即所謂的哈勃常數。這些輻射揭示了早期宇宙的精確成分。宇宙學家將這些成分代入宇宙演化模型中,並將模型向前運行,以觀察今天的宇宙空間應該以多快的速度膨脹。

  然而,模型預測的結果並不準確:在對脈動變星和爆發的超新星等天體進行觀察時,宇宙學家看到的是一個加快膨脹的宇宙,其哈勃常數也更大。

哈佛大學的粒子物理學家和宇宙學家麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)提出瞭解釋加速宇宙膨脹的理論
哈佛大學的粒子物理學家和宇宙學家麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)提出瞭解釋加速宇宙膨脹的理論

  這種被稱為“哈勃衝突”(Hubble tension)的現像一直存在,即使所有的測量手段都變得越來越精確。一些天體物理學家仍在爭論這一差異是否只是測量誤差。但可以確定的是,如果這種差異真實存在,那就意味著宇宙學家的宇宙模型中缺少某些東西。

  近年來,理論物理學家一直在推測新的宇宙成分,這些成分一旦加入標準模型,就可以導致宇宙的膨脹速率加快,使其與觀測值相符。

  “發現異常是科學進步的根本途徑,”哈佛大學的宇宙學家阿維·勒布(Avi Loeb)說道。他是數十位試圖解決“哈勃衝突”的研究者之一。接下來,就讓我們來瞭解一下解釋宇宙加速膨脹的一些最重要的理論。

  衰變的暗物質

  宇宙學的標準模型包含了所有我們熟悉的物質和輻射形式,以及它們之間的相互作用;它還包括被稱為暗能量和暗物質的不可見物質,二者加起來構成了96%的宇宙。由於人們對這些黑暗部分知之甚少,因此它們可能是修改標準模型時最容易想到的地方。“這就是可以任你改變宇宙膨脹速率的部分,”阿維·勒布說道。

  標準模型假設暗物質由不與光相互作用的緩慢粒子組成,但如果我們也假設,暗物質並非由單一物質構成的呢?我們已經發現了許多不同種類的可見粒子——夸克、電子等等——因此可能也存在著多種暗粒子。

  在2019年發表在《物理評論D》(Physical Review D)上的一篇論文中,阿維·勒布和兩位合作者提出了一種暗物質形式,能衰變為一種較輕的粒子和一種無質量的粒子,即暗光子。他們推斷,隨著時間的推移,越來越多的暗物質衰變,導致其引力減弱,從而使宇宙加速膨脹。於是,“哈勃衝突”便迎刃而解。

  然而,對標準宇宙學模型進行這樣的小改動可能會產生不必要的連鎖反應。美國約翰·霍普金斯大學的理論物理學家馬克·卡米奧科夫斯基(Marc Kamionkowski)說:“提出各種各樣的微小修改很容易,但如果不破壞模型與其他大量天文觀測結果的完美契合,就很難做到這些。”

  通過改變暗物質的衰變速率和每次衰變的量,勒布和同事最終確定了一個暗物質衰變的模型。他們表示,該模型仍然與其他天文觀測結果一致。“如果你把這個成分加入到標準的宇宙學模型中,一切都能很好地結合在一起,”勒布說道。

  不過,勒布仍然不大滿意暗物質衰變理論,部分原因是該理論在方程中引入了兩個新的不確定量。他說:“在這種情況下,你是通過添加兩個自由參數來解決一個差異,我對此感到不安。”他將衰變的暗物質比作托勒密地球中心宇宙體系中的本輪,“我寧願用一個參數來解釋兩個差異”。

  變化無常的暗能量

  自從1998年發現宇宙正在加速膨脹以來,宇宙學家就在宇宙演化模型中加入了暗能量。但暗能量的性質至今仍是一個謎。最簡單的可能性是,暗能量就是“宇宙常數”,即空間本身的能量,在任何地方的密度都是恒定的。但是,如果宇宙中的暗能量不是恒定的呢?

  宇宙早期的一種額外的暗能量,被稱為早期暗能量,可以調和哈勃常數相互矛盾的值。早期暗能量的向外壓力會加速宇宙的膨脹。“棘手的是(早期暗能量)不能一直存在;它必須迅速消失,”哈佛大學的粒子物理學家和宇宙學家麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)說道。

  在一篇提交給《高能物理雜誌》(Journal of High Energy Physics)的論文中,蘭德爾及其合作者設計了他們所謂的“搖滾”(rock’ n’ roll)方案,試圖解決“哈勃衝突”。標準模型中的每一個附加項都有不同的數學形式——在某些情況下,暗能量的密度會振盪,或者說是“搖”(rock);而在另一些情況下,暗能量的密度會從一個高值下降到零。但在所有情況下,早期的暗能量必須在幾十萬年後一段被稱為“重組”的時期中消失。“自重組之後,宇宙的歷史與標準模型相當一致,”卡米奧科夫斯基說道。在2019年6月的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上,卡米奧科夫斯基與人合著了一篇關於早期暗能量的論文。

  除了早期的暗能量外,理論物理學家們還提出了其他奇特的暗能量形式——比如“第五元素”(quintessence,又譯為“精質”)和“幻能量”(phantom dark energy)——它們也會隨著宇宙年齡的增長而變化。雖然這些對標準模型的擴展緩和了“哈勃衝突”,但許多宇宙學家認為這些只是微調,即適當的但沒有明確理由的數學補充。

  不過,卡米奧科夫斯基指出,與宇宙歷史上的其他膨脹時期相比,新的暗能量形式顯得沒那麼不自然。例如,大多數宇宙學家認為,宇宙在大爆炸開始時,在一段被稱為“暴脹”的時期內呈指數級膨脹,這是由一種暗能量形式驅動的,但與今天存在的暗能量不同。卡米奧科夫斯基表示,這種由暗能量主導的時期被認為“在整個宇宙的歷史中時不時發生”。

  修正後的引力

  在宇宙學的標準模型中,所有已知的物質和輻射形式,加上暗物質和暗能量,都被輸入到阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論中,而愛因斯坦的方程表明了空間將如何膨脹。這意味著,除了在模型中改變或添加宇宙成分外,物理學家還有另一種方法可以使其與觀測到的宇宙膨脹速率相一致,“你可以想像愛因斯坦的方程是不正確的,”勒布說道。

  2019年夏天,劍橋大學的博士生威廉·巴克(William Barker)在尋找一種“修正引力”(modified gravity)理論時,無意中發現了一種解決“哈勃衝突”的方法。巴克發現了一個修正的引力模型,其“運行似乎表明宇宙早期存在額外的輻射”;正是輻射壓力導致了宇宙的加速膨脹。

  但是,在今年3月份提交給《物理評論》的一份預印本中,巴克和三位合著者承認,他們還需要進行更多的分析,以確定該模型是否不僅能描述宇宙如何膨脹,還能描述星系和星團等結構如何演化。

  今天的望遠鏡提供了大量關於這些結構的數據,精確性令人吃驚,因此設計出一種與所有觀測結果相匹配的理論絕非易事。卡米奧科夫斯基說:“許多修正引力理論都不是完整的理論,當你試圖用精細的數據集進行詳細計算時……很難以穩健的方式做到這一點。”

  且走且看

  “我們都知道它們是暫時的,”蘭德爾在談到目前的各種理論時說,“令人驚訝的是,即使有了這些臨時加項,差異仍然很難調解。”

  即使有額外的自由參數,大多數非標準模型也只是緩和了“哈勃衝突”,並沒有完全解決。這些模型預測的宇宙膨脹速度比標準模型更快,但仍不足以與超新星和其他天體的觀測結果相匹配。

  在未來幾年里,歐幾里得空間望遠鏡和其他望遠鏡將細緻描繪出引力與暗能量是如何塑造宇宙演化的。與此同時,中子星碰撞發出的引力波也將為測量哈勃常數提供新的方法。新的數據將排除一些解決“哈勃衝突”的理論,但標準模型中也可能出現新的問題。目前,許多宇宙學家都不願在標準模型運行良好的情況下將其複雜化。蘭德爾說:“人們有點在觀望的感覺,除非真的有很好的理論。”

  蘭德爾補充道,即使“哈勃衝突”最終只是誤差的累積,但這種對新物理學的探索並不一定是徒勞的。“有趣的結果有時會來自最終消失的事物,”她說,“這會迫使你思考:我們知道什麼?我們又能改變多少?”(任天)

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