宇宙膨脹速度遠(yuǎn)超過主流模型的預(yù)測，暗能量的影響？

宇宙正以超理論預(yù)期速度膨脹—物理學(xué)家將尋找全新觀點來解釋這一誤差現(xiàn)象

物理學(xué)家無法僅僅靠改變晚期宇宙的膨脹比例來解釋哈勃張力—這類解決方法實際上都不足。

使用詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡捕獲到遠(yuǎn)空的星系群（圖源：航天局、歐空局、加拿大航天局、太空望遠(yuǎn)鏡研究所）

這一文章首發(fā)在“解釋型新聞網(wǎng)”上。隨后這一發(fā)布上傳到了太空網(wǎng)站的專家之聲：專欄和見解。

瑞恩·凱雷是美熹德加州大學(xué)物理系的一名博士后學(xué)者。

天文學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)宇宙正保持膨脹狀態(tài)。使用天文儀器觀察遠(yuǎn)空的星系時他們發(fā)現(xiàn)，這些星系正在逐步遠(yuǎn)離地球。

天文學(xué)家認(rèn)為，星系發(fā)出的光的波長越長，星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。星系越遠(yuǎn)，它從光譜中的紅色側(cè)轉(zhuǎn)化為波長的光就更多——即“紅移”越多。

光速無限且迅疾，卻非無上限的疾速?？匆娨恍┻b遠(yuǎn)的東西意味著我們正注視著它們過去的樣子。遠(yuǎn)方高紅移的星系實際是宇宙初期階段的星系。因此“高紅移”與早期宇宙有關(guān)，而“低紅移”則與晚期宇宙相關(guān)聯(lián)。

但當(dāng)天文學(xué)家們在研究這些距離時，他們發(fā)現(xiàn)宇宙不僅僅是在“膨脹”——膨脹的速度也同時在增加。且速度甚至遠(yuǎn)高于先進(jìn)理論所預(yù)期，令我在內(nèi)的宇宙學(xué)家們感到意外的同時也期待著它新的膨脹。

暗能量與宇宙學(xué)常數(shù)

科學(xué)家們稱這種加速的來源為暗能量。我們還未查明是什么在驅(qū)動暗能量或者說暗能量是靠什么在運作，但我們構(gòu)想這些能通過宇宙學(xué)常數(shù)這一有助于宇宙膨脹的時空特性來加以解釋。

阿爾伯特·愛因斯坦最先提出這個常數(shù)——他在他的廣義相對論中用第十一個希臘字母來標(biāo)記了它。通過宇宙學(xué)常數(shù)看出，隨著宇宙的膨脹，宇宙學(xué)常數(shù)的能量密度保持不變。

請想象一個裝滿粒子的盒子，如果這個盒子的容量增加，粒子的密度將隨著擴散而降低，以填補盒子中的所有空間。現(xiàn)在來想象一個相同的盒子，但在容量增加的時候粒子的密度保持不變。

這聽上去并不直觀，對吧？宇宙學(xué)常數(shù)的能量密度不會隨著宇宙的膨脹而降低，這當(dāng)然很奇怪，但這種特性有助于對宇宙加速的原因解釋說明。

宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型

迄今為止，主流理論，或者說宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型叫做“Lambda CDM”。Lambda表示描述暗能量的宇宙學(xué)常數(shù)，CDM代表冷暗物質(zhì)。這一模型同時描述了處于晚期階段宇宙的加速以及初期階段宇宙的膨脹率。

具體來說，Lambda CDM解釋了宇宙微波背景的觀察數(shù)據(jù)，即宇宙大爆炸約三十萬年后處于“炙熱，致密狀態(tài)”時微博輻射的余暉。觀察數(shù)據(jù)使用普朗克衛(wèi)星來測量宇宙微波背景，科學(xué)家得才能得以創(chuàng)建Lambda CDM模型。

將Lambda CDM模型運用到宇宙微波背景中后，物理學(xué)家可以預(yù)測哈勃常數(shù)的值，一個實際不是常數(shù)，而是描述宇宙當(dāng)前膨脹率的數(shù)據(jù)。

Lambda CDM模型并非完美?？茖W(xué)家測量到星系的距離后計算出的膨脹率和Lambda CDM通過宇宙微波背景的觀察數(shù)據(jù)來描述的膨脹率并不相同。天文學(xué)家稱這種不同為哈勃張力。

宇宙膨脹的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙學(xué)主流模型的預(yù)測。（圖源：航天局）

哈勃張力

在過去的幾年里，我一直在尋找解釋哈勃張力的途徑。這一張力或許在說明Lambda CDM模型是不完整的，物理學(xué)家們?nèi)匀恍枰薷乃麄兊哪Ｐ?，或者它說明研究者們是時候提出宇宙如何運作的新觀點了。新的觀點對物理學(xué)家來說往往具有極大吸引力。

解釋哈勃張力的方法之一是，通過在晚期階段宇宙中低紅移水平下改變膨脹率來修改Lambda CDM模型。像這樣來改變模型可以幫助物理學(xué)家推測什么種類的物理現(xiàn)象可能導(dǎo)致哈勃張力的出現(xiàn)。

除此之外，暗能量或許并非宇宙常數(shù)，而是代替了重力在新方式下運行的結(jié)果。如果實際情況是這樣，暗能量會在宇宙膨脹的同時進(jìn)化——而展示出的宇宙看上去就像誕生不久的宇宙微波背景，將提出對哈勃張力的全新推測。

但是，我的團(tuán)隊最新的研究發(fā)現(xiàn)物理學(xué)家沒法僅憑改變晚期宇宙中膨脹率來解釋哈勃張力——這整類方案都無法達(dá)到要求。

開發(fā)新模型

為找到什么類型的方法能解釋哈勃張力，我們開發(fā)了統(tǒng)計工具來測試改變宇宙晚期膨脹率整個模型類別的可能性。這些統(tǒng)計工具十分靈活，我們用它們來匹配或模仿可能符合宇宙膨脹率的觀察數(shù)據(jù)的不同模型，并且可能為我們提供哈勃張力的解決方案。

我們測試的模型包括進(jìn)化中的暗能量模型，這之中暗物質(zhì)在不同的時間會有不同的反應(yīng)。我們還測試了暗能量-暗物質(zhì)相互作用模型，并修正了引力模型，其中引力在不同時間的宇宙中作用也不盡相同。

但這些都不能完整地解釋哈勃張力。這些結(jié)果表明物理學(xué)家們需要加強對宇宙早期的研究以查明張力的來源。

BY:Ryan Keeley

FY:老羊

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處