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是什么加速了宇宙的膨胀?

时间: 2020年05月07日 | 作者: Admin | 来源: 新浪科技
近年来,理论物理学家一直在推测新的宇宙成分,这些成分一旦加入标准模型,就可以导致宇宙的膨胀速率加快,使其与观测值相符。


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宇宙膨胀的速度比科学家预测的快得多,这是宇宙学中最难以解释的异常现象之一,也被称为“哈勃冲突”


  新浪科技讯 北京时间5月7日消息,物理学家提出,宇宙中存在着额外的成分,这或许可以解释宇宙的膨胀速度为什么比预期的要快。


  宇宙膨胀的速度比科学家预测的快得多,这是宇宙学中最难以解释的异常现象之一。根据对宇宙大爆炸后不久后释放的辐射(宇宙微波背景辐射)进行测量,物理学家预测了宇宙的膨胀速率,即所谓的哈勃常数。这些辐射揭示了早期宇宙的精确成分。宇宙学家将这些成分代入宇宙演化模型中,并将模型向前运行,以观察今天的宇宙空间应该以多快的速度膨胀。


  然而,模型预测的结果并不准确:在对脉动变星和爆发的超新星等天体进行观察时,宇宙学家看到的是一个加快膨胀的宇宙,其哈勃常数也更大。


哈佛大学的粒子物理学家和宇宙学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)提出了解释加速宇宙膨胀的理论

哈佛大学的粒子物理学家和宇宙学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)提出了解释加速宇宙膨胀的理论


  这种被称为“哈勃冲突”(Hubble tension)的现象一直存在,即使所有的测量手段都变得越来越精确。一些天体物理学家仍在争论这一差异是否只是测量误差。但可以确定的是,如果这种差异真实存在,那就意味着宇宙学家的宇宙模型中缺少某些东西。


  近年来,理论物理学家一直在推测新的宇宙成分,这些成分一旦加入标准模型,就可以导致宇宙的膨胀速率加快,使其与观测值相符。


  “发现异常是科学进步的根本途径,”哈佛大学的宇宙学家阿维·勒布(Avi Loeb)说道。他是数十位试图解决“哈勃冲突”的研究者之一。接下来,就让我们来了解一下解释宇宙加速膨胀的一些最重要的理论。


  衰变的暗物质


  宇宙学的标准模型包含了所有我们熟悉的物质和辐射形式,以及它们之间的相互作用;它还包括被称为暗能量和暗物质的不可见物质,二者加起来构成了96%的宇宙。由于人们对这些黑暗部分知之甚少,因此它们可能是修改标准模型时最容易想到的地方。“这就是可以任你改变宇宙膨胀速率的部分,”阿维·勒布说道。


  标准模型假设暗物质由不与光相互作用的缓慢粒子组成,但如果我们也假设,暗物质并非由单一物质构成的呢?我们已经发现了许多不同种类的可见粒子——夸克、电子等等——因此可能也存在着多种暗粒子。


  在2019年发表在《物理评论D》(Physical Review D)上的一篇论文中,阿维·勒布和两位合作者提出了一种暗物质形式,能衰变为一种较轻的粒子和一种无质量的粒子,即暗光子。他们推断,随着时间的推移,越来越多的暗物质衰变,导致其引力减弱,从而使宇宙加速膨胀。于是,“哈勃冲突”便迎刃而解。


  然而,对标准宇宙学模型进行这样的小改动可能会产生不必要的连锁反应。美国约翰·霍普金斯大学的理论物理学家马克·卡米奥科夫斯基(Marc Kamionkowski)说:“提出各种各样的微小修改很容易,但如果不破坏模型与其他大量天文观测结果的完美契合,就很难做到这些。”


  通过改变暗物质的衰变速率和每次衰变的量,勒布和同事最终确定了一个暗物质衰变的模型。他们表示,该模型仍然与其他天文观测结果一致。“如果你把这个成分加入到标准的宇宙学模型中,一切都能很好地结合在一起,”勒布说道。


  不过,勒布仍然不大满意暗物质衰变理论,部分原因是该理论在方程中引入了两个新的不确定量。他说:“在这种情况下,你是通过添加两个自由参数来解决一个差异,我对此感到不安。”他将衰变的暗物质比作托勒密地球中心宇宙体系中的本轮,“我宁愿用一个参数来解释两个差异”。


  变化无常的暗能量


  自从1998年发现宇宙正在加速膨胀以来,宇宙学家就在宇宙演化模型中加入了暗能量。但暗能量的性质至今仍是一个谜。最简单的可能性是,暗能量就是“宇宙常数”,即空间本身的能量,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?


  宇宙早期的一种额外的暗能量,被称为早期暗能量,可以调和哈勃常数相互矛盾的值。早期暗能量的向外压力会加速宇宙的膨胀。“棘手的是(早期暗能量)不能一直存在;它必须迅速消失,”哈佛大学的粒子物理学家和宇宙学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)说道。


  在一篇提交给《高能物理杂志》(Journal of High Energy Physics)的论文中,兰德尔及其合作者设计了他们所谓的“摇滚”(rock’ n’ roll)方案,试图解决“哈勃冲突”。标准模型中的每一个附加项都有不同的数学形式——在某些情况下,暗能量的密度会振荡,或者说是“摇”(rock);而在另一些情况下,暗能量的密度会从一个高值下降到零。但在所有情况下,早期的暗能量必须在几十万年后一段被称为“重组”的时期中消失。“自重组之后,宇宙的历史与标准模型相当一致,”卡米奥科夫斯基说道。在2019年6月的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,卡米奥科夫斯基与人合著了一篇关于早期暗能量的论文。


  除了早期的暗能量外,理论物理学家们还提出了其他奇特的暗能量形式——比如“第五元素”(quintessence,又译为“精质”)和“幻能量”(phantom dark energy)——它们也会随着宇宙年龄的增长而变化。虽然这些对标准模型的扩展缓和了“哈勃冲突”,但许多宇宙学家认为这些只是微调,即适当的但没有明确理由的数学补充。


  不过,卡米奥科夫斯基指出,与宇宙历史上的其他膨胀时期相比,新的暗能量形式显得没那么不自然。例如,大多数宇宙学家认为,宇宙在大爆炸开始时,在一段被称为“暴胀”的时期内呈指数级膨胀,这是由一种暗能量形式驱动的,但与今天存在的暗能量不同。卡米奥科夫斯基表示,这种由暗能量主导的时期被认为“在整个宇宙的历史中时不时发生”。


  修正后的引力


  在宇宙学的标准模型中,所有已知的物质和辐射形式,加上暗物质和暗能量,都被输入到阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论中,而爱因斯坦的方程表明了空间将如何膨胀。这意味着,除了在模型中改变或添加宇宙成分外,物理学家还有另一种方法可以使其与观测到的宇宙膨胀速率相一致,“你可以想象爱因斯坦的方程是不正确的,”勒布说道。


  2019年夏天,剑桥大学的博士生威廉·巴克(William Barker)在寻找一种“修正引力”(modified gravity)理论时,无意中发现了一种解决“哈勃冲突”的方法。巴克发现了一个修正的引力模型,其“运行似乎表明宇宙早期存在额外的辐射”;正是辐射压力导致了宇宙的加速膨胀。


  但是,在今年3月份提交给《物理评论》的一份预印本中,巴克和三位合著者承认,他们还需要进行更多的分析,以确定该模型是否不仅能描述宇宙如何膨胀,还能描述星系和星团等结构如何演化。


  今天的望远镜提供了大量关于这些结构的数据,精确性令人吃惊,因此设计出一种与所有观测结果相匹配的理论绝非易事。卡米奥科夫斯基说:“许多修正引力理论都不是完整的理论,当你试图用精细的数据集进行详细计算时……很难以稳健的方式做到这一点。”


  且走且看


  “我们都知道它们是暂时的,”兰德尔在谈到目前的各种理论时说,“令人惊讶的是,即使有了这些临时加项,差异仍然很难调解。”


  即使有额外的自由参数,大多数非标准模型也只是缓和了“哈勃冲突”,并没有完全解决。这些模型预测的宇宙膨胀速度比标准模型更快,但仍不足以与超新星和其他天体的观测结果相匹配。


  在未来几年里,欧几里得空间望远镜和其他望远镜将细致描绘出引力与暗能量是如何塑造宇宙演化的。与此同时,中子星碰撞发出的引力波也将为测量哈勃常数提供新的方法。新的数据将排除一些解决“哈勃冲突”的理论,但标准模型中也可能出现新的问题。目前,许多宇宙学家都不愿在标准模型运行良好的情况下将其复杂化。兰德尔说:“人们有点在观望的感觉,除非真的有很好的理论。”


  兰德尔补充道,即使“哈勃冲突”最终只是误差的累积,但这种对新物理学的探索并不一定是徒劳的。“有趣的结果有时会来自最终消失的事物,”她说,“这会迫使你思考:我们知道什么?我们又能改变多少?”(任天)