暗能量如何塑造宇宙:或在早期宇宙中也出现过

新浪科技
2020-03-09

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新浪科技2020-03-09

暗能量是如何塑造我们的宇宙的?暗能量是如何塑造我们的宇宙的?

3月9日消息,目前最为流行的宇宙学模型认为,在宇宙加速膨胀的背后,是一种我们称为“暗能量”的神秘力量,而这种难以察觉的能量形式是恒定不变的。

然而,根据一项新的研究,暗能量完全有可能在过去发生了变化。参与研究的科学家提出,这些变化可能导致了宇宙中充满了我们日常所见的常规物质。从现在观测到的情况来看,宇宙中发生了一些奇怪的事情:它在膨胀,但也充满了物质。随着时间的推移,所有这些物质的引力应该都会减缓宇宙的膨胀。然而,宇宙膨胀并没有放缓,甚至没有保持相同的速率,而是膨胀得越来越快。

每过一天,我们的宇宙就变得越来越大,越来越快。宇宙学家将导致这种加速膨胀的能量形式称为“暗能量”,部分原因是我们根本不知道它到底是什么,从哪里来,将来会发生什么。我们所知道的是,从大约50亿年前开始,暗能量就开始存在并持续至今。

我们还知道,在这50亿年里,暗能量的“强度”(通过其密度来衡量)保持得相当稳定。暗能量似乎并没有随着时间的推移而变弱或变强,这使它成为一个宇宙常数。然而,早期的宇宙非常奇怪,而在很久以前可能发生了一些更加奇怪的事情。如果这些事情真的发生过,那它们可能就会对宇宙历史的其余部分产生巨大的影响。

虽然我们几乎不了解暗能量的性质或成因,但我们知道,暗能量除了加速宇宙的膨胀之外,别无它用。这是因为,从宇宙学的角度来说,今天的宇宙呈现出古老、寒冷和近乎死亡的状态。

这种大范围的沉寂意味着宇宙中没有足够的能量(暗能量或其他)存在。如果暗能量出现一些特别的情况,比如随时间而变化,其实并不会有很大的影响,因为它已经非常微弱了。是的,暗能量正在加速宇宙的膨胀,但作用很轻微。这也是科学家花了这么长时间才确定其影响的原因。这一特点既限制了暗能量对宇宙的影响,也限制了我们对它的了解;对宇宙学家来说,可以测量的暗能量效应并不多。相比而言,早期的宇宙要热得多,密度更大,更紧凑,尤其是更富有能量。

尽管暗能量在大约50亿年前出现在宇宙中,但这并不一定是它的首次出现。暗能量可能存在于年轻的宇宙中,并推动宇宙发生各种各样有趣的变化,然后暂时消失在背景中。最近,一组理论物理学家在思考这样早期的暗能量可能会做些什么,他们在2019年11月的一篇论文中报告了研究结果,并将其上传到预印本服务器arXiv.org上。

研究人员发现,暗能量的短暂波动可能会让夸克、胶子和轻子等奇异粒子充满早期宇宙,最终凝结成我们今天所知的原子。

根据这些研究人员的说法,这次变化一定是在宇宙暴胀之后发生的,当时宇宙在很短的时间内变得非常大。在暴胀之后,整个宇宙几乎都是空的;暴胀前的所有物质都像风中的灰尘一样被吹散了。在那之后,必须有什么东西来“重新加热”宇宙,在我们常说的“大爆炸”中为宇宙带来新一轮的粒子。

大多数理论物理学家认为,无论是什么引起了宇宙暴胀,其本身一定也发生了再加热过程。但这项新研究表明,早期的暗能量可能通过失去自身能量的方式产生了大量的粒子。这是一个有趣的说法,但研究人员的假设仍然必须与之前巩固了我们对大爆炸和宇宙暴胀理解的观测结果相吻合。如果暗能量是导致宇宙再热的原因,那么我们应该会看到宇宙微波背景的标准图像模型的细微变化,这些变化反过来又影响了现代宇宙中星系的模式。

到目前为止,宇宙再次加热的新模型与当前的所有观察结果都是吻合的,甚至比传统的宇宙暴胀理论还更合理一些。但是,我们没有足够的信息来判断这是否只是统计上的巧合。新一代的天体物理学工具,如美国国家航空航天局的大视场红外巡天望远镜(WFIRST),可能将有助于科学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。

暗能量及其存在证据

通过目前的观测数据,科学家估计,宇宙中70%的能量由暗能量提供,约25%由暗物质提供,而我们日常所见的普通物质只提供了5%。我们目前对暗能量的本质了解很少,只知道它具有负压强,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。

暗物质的本质决定着宇宙的命运。真空本身具有的能量称为“真空能”,如果导致宇宙加速膨胀的是真空能,意味着宇宙将永远加速膨胀,宇宙中的物质和能量将越来越稀薄,星系之间将以越来越快的速度远离彼此,新的结构永远不可能再形成。如果导致如今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的,则宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能永远加速膨胀,也可能重新进入减速膨胀状态,甚至可能收缩。

从天文观测数据中了解暗能量状态方程随时间的演化历史,对于探索暗能量本职至关重要。这也是许多大型巡天计划的最重要科学目标之一。2017年,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观测到了显著的重子声波振荡信号,成为证明暗能量存在的又一独立证据,也再次证明了宇宙在加速膨胀。