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揭秘宇宙加速膨胀背后的暗能量

冯杰

2017年07月05日 12:00

赵公博 张新民
《光明日报》


不久前,由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号,这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据,引起了世界的广泛关注。暗能量到底是什么?暗能量如何观测?宇宙加速膨胀背后的物理机制到底是什么?爱因斯坦建立的广义相对论错了么?本期特邀eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博和中国科学院高能物理研究所研究员张新民从暗能量的发现谈起,深入解读这个正在推动宇宙加速膨胀的神秘力量以及国内外暗能量研究的未来发展态势。

1.暗能量确实存在,宇宙正在加速膨胀

科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹,在宇宙爆炸后约38万年,声波振荡信息被“冻结”。如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

在介绍加速膨胀之前,我们先简要回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃(Edwin Hubble)在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体退行速度与它们离我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界,甚至让很多人不安,因为此发现让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。

哈勃发现的是一种时空膨胀效应。通常的引力效应只能让宇宙减速膨胀,而科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量,它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。

要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

1998年,由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组,几乎同时在超新星观测中发现了暗能量存在的证据,以此获得了诺贝尔物理学奖——在北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P.Schmidt和美国科学家Adam G.Riess,以表彰他们一项震惊世界的科学发现:宇宙正在加速膨胀!

此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。这些类星体非常遥远,现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光,远在地球形成之前。

之前eBOSS国际合作组的专家都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。

那么什么是类星体?为什么会选择用它来观测?类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是类似恒星的天体而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中,我们都能看到类星体。

重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况,物质密度越高的地方,星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测,主要是比较亮一些,在更遥远的地方都可以看到。

2015年至今,eBOSS国际合作组顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究,证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势,为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目也受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。

2.宇宙中约70%的能量是由暗能量提供,约25%由暗物质提供,而我们熟悉的普通物质只占5%

在实验观测上,要了解宇宙在过去不同时刻的膨胀率,进而确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就需要测量更遥远天体的距离和红移的关系。

天体的红移可以通过其光谱直接测量,但是测量天体与我们的距离却非常困难。天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度(它们和天体的星等相联系)来推断距离。因此,在测距过程中要选取那些具有已知的绝对亮度的天体作为观测对象,这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度,并利用亮度与红移(或者星等与红移)的关系,我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系。

宇宙中确实存在我们需要的标准烛光:Ia型超新星(SN)。此类超新星是双星系统中,白矮星吸积物质,或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮,在短短几周内,其亮度可以与整个星系相比拟,在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力,由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗。这个观测证据表明,宇宙的膨胀正在加速!

除超新星以外,重子声波振荡(BAO)是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密耦合,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀,温度降低,这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射(CMB)时期。从此光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即BAO尺度。BAO尺度大约为150兆秒差距(约4.9亿光年),具体数值依赖于宇宙学参数。观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目(宇宙学上称为星系的两点关联函数)测量BAO尺度,进而测量宇宙学参数。

由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天(SDSS)。其第三期的重子声波振荡光谱巡天(BOSS)通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平,并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀!

宇宙标准烛光、宇宙标准尺以及CMB在限制宇宙学参数方面高度互补。结合SN、BAO和CMB的观测数据,目前宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供,约25%由一种称为暗物质的未知物质形式提供,而我们熟悉的普通物质只占5%左右。

3.暗能量的本质决定着宇宙的命运

我们可以看出宇宙膨胀加速,即宇宙标度因子对时间的二阶导数为正,宇宙中总的压强必为负值,即今天的宇宙是由一种具有很强负压的物质所主导(重子物质和暗物质压强为0)。这种神秘的负压物质就是暗能量。我们目前对暗能量的本质知之甚少,只了解它具有负压强,且近乎光滑,即不结团。暗能量的更多性质由其压强与能量密度的比值,即状态方程参数来描述。

暗能量的本质决定着宇宙的命运。如果加速膨胀是由真空能引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成。如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的,那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩,特别是在精灵暗能量框架下,宇宙将有可能是循环的,即膨胀-收缩-再膨胀-再收缩……循环往复。

从天文观测数据中提取暗能量状态方程随红移(即时间)的演化历史,对于探索暗能量的本质至关重要,因此,这也是国内外许多正在运行(SDSS巡天)和计划中的大型巡天计划(DESI、Euclid、LSST等)的首要科学目标之一。

4.爱因斯坦建立的广义相对论错了么

爱因斯坦建立的广义相对论是迄今为止最成功的引力理论。其正确性从实验室尺度到太阳系尺度都得到了高精度的验证。然而,在宇宙学尺度上,广义相对论的正确性还只是假设。目前的实验观测精度还不足以在如此大的时空尺度上证实或者证伪广义相对论。因此,宇宙时空的加速膨胀现象原则上有可能通过修正或者推广广义相对论实现。

实际上,这并不是科学家第一次感到引力理论有修正的必要。20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿引力论(即绝对时空观)既不适用于接近光速运动的物体,也不能准确描述强引力场中的物体。因此,他大胆地使用相对时空观取代了绝对时空观,建立了狭义和广义相对论,为百年来的物理和天文学研究奠定了基石。爱因斯坦场方程的右边是表征物质的分布和运动的物理量,称为能量-动量张量,而方程左边则是时空曲率。此方程清楚表明,广义相对论认为物质的分布和运动决定了时空曲率,而时空曲率又反过来影响物质的运动和分布。如前文所述,由物质主导的宇宙无法使时空加速膨胀,因而引入具有负压的暗能量。这实际上是修正爱因斯坦方程右侧。而另一种解决方案则是直接修正时空曲率项,即修正爱因斯坦方程左侧,这就是修正引力论。

原则上,修正引力与暗能量模型可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史(即0阶物理量),但是它们却预言了完全不同的宇宙结构形成历史(即1阶扰动量)。因此,利用星系大尺度结构巡天,我们可以通过观测宇宙的结构形成,来区分修正引力与暗能量这两种物理机制,并对修正引力模型进行观测限制。

目前已建立的修正引力模型包括标量-张量理论、矢量-张量理论、带质量引力理论等。数学形式上,这些理论都要比广义相对论复杂,因此要研究这些理论预言的宇宙结构形成往往需要借助大规模数值模拟。

5.未来5至10年是暗能量研究的黄金时代

“工欲善其事,必先利其器。”对于暗能量的研究来说,开展大规模的巡天实验是重中之重。未来5到10年内,我国和国际上将运行一批(国际上称为第四代)大型地面和空间暗能量项目,包括我国的空间站巡天,天籁计划,国际上的DESI,Euclid等项目,揭示宇宙加速膨胀背后的新物理。

这些项目将从宇宙小尺度(星系或者星系团尺度)到大尺度(星系成团尺度和宇宙背景演化尺度)全面检验暗能量动力学和广义相对论。它们将通过对宇宙标准烛光(超新星)和宇宙标准尺(BAO)的精确测量重建暗能量演化历史,并将通过红移畸变(RSD)、等效原理检验等手段精确检验广义相对论。此外,位于我国西藏阿里地区的“阿里计划”CMB实验将在五年内建成并运行,该实验将对宇宙原初引力波的探索和暗能量研究具有重要意义。

未来5年至10年是暗能量研究的黄金时代。相信在全世界科学家的共同努力下,揭开暗能量神秘面纱的时刻指日可待。


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2017年07月05日 10:44
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