宇宙现加速膨胀秘密该从何处入手?

文章作者:bianji3 | 2018-01-29
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      在20世纪20年代,美国天文学家哈勃最早发现我们的宇宙不是静止的,而是在膨胀。按照已经被高精度验证的广义相对论,当时人类已知的宇宙中的物质只会引起膨胀的减速。直到1998年,科学家通过天文学观测才发现,我们的宇宙现在正在加速膨胀。这说明宇宙中还有人类未知的物质,被称作暗能量。在进一步的研究中,科学家又发现暗能量在距今大约90亿年[3]以前就出现了。只不过最近十几年由于人类观测技术的发展才被发现,成为科学研究的热点。
      如果看电影时按到了“快进”,影片里的运动就会大大加速;也许造谣者听说宇宙在加速膨胀时,就以为宇宙也被人按到“快进”了, 进而大呼“时间在加快”。这倒也不是完全没有道理。可是暗能量90亿年以前就出现了,就算时间会加快,也应该在最近几十亿年不断变快,怎么可能像谣言所说是近几年才有的现象呢?宇宙加速膨胀的事实和所谓的“时间变快”其实是没有因果关系的。

 

类星体艺术图,来自维基,https://en.wikipedia.org/wiki/Quasar类星体艺术图,来自维基,https://en.wikipedia.org/wiki/Quasar

  最新的天文观测表明,宇宙正在不可思议地加速膨胀。宇宙加速膨胀现象自1998年被发现以来(该发现获2011年诺贝尔物理学奖),探索这一奇异现象的根源一直是全世界物理学家和天文学家最重大的研究课题之一。

  根据最新研究,目前的宇宙中只存在4%左右的普通物质以及23%的暗物质,而其余73%的能量组分则是由神秘的暗能量提供的。暗能量的本质虽仍未被揭示,但天文观测证据表明,暗能量充满宇宙,且除引力作用之外,暗能量与其他物质不存在任何已知的相互作用。暗能量密度极低(约10-27 kg/m3),但却是宇宙加速膨胀背后的推手!(这里指的是广义的暗能量,既包括具有负压的能量组分,也包含宇宙学尺度上的修正引力效应。)

  暗能量就像深邃宇宙中的幽灵(几种典型暗能量模型的名字分别为精质、幽灵、精灵等),看不见摸不着,但它却影响、甚至决定着宇宙的演化和命运。它可以改变时空的几何属性,也主导着宇宙中的星系分布与演化。

  大型星系巡天是研究暗能量的利器,它能通过对大样本星系进行大规模的“人口普查”,然后分析星系的三维分布特征,重建宇宙的膨胀历史以及宇宙大尺度结构的增长率,进而探测暗能量的性质。

  目前世界上最大的星系巡天是斯隆四期(SDSS-IV)的“拓展重子声波振荡巡天”(eBOSS; 2014-2020)。该项目依托一架位于美国新墨西哥州的口径2.5米光学望远镜,观测距地球几十亿到几百亿光年外多种类型的星体样本。通过分析这些样本的三维分布,可以提取两大与暗能量性质密切相关的核心信息:重子声波振荡(BAO)和红移畸变(RSD)信号。

位于美国新墨西哥州的 SDSS 2.5米望远镜位于美国新墨西哥州的 SDSS 2.5米望远镜

  重子声波振荡(BAO)是测量宇宙几何的量天尺,可以通过测量星系的成团性获取宇宙的膨胀历史。它是由于早期宇宙中光子与重子物质相互作用形成的一种独特的天体三维成团模式。红移畸变(RSD)则是另一种特殊的天体三维成团模式,可以测量宇宙中物质密度扰动增长速率。它是由于天体在局部引力作用下运动而导致的一种表观各向异性。在暗能量的研究中,BAO 与 RSD 相辅相成。根据这些 BAO 与 RSD 数据,我们就可以通过宇宙的“成长”历史,了解暗能量的性质。

     eBOSS 巡天国际合作组于2017年首次利用遥远的类星体,也就是超大质量的黑洞,成功测量到了重子声波振荡信号。近期,eBOSS 国际合作组宣布,首次利用类星体成功测量到了宇宙的层析红移畸变信号(Zhao et al。, 2018; arXiv:https://arxiv.org/abs/1801.03043)。科学家们利用全新方法,在多个宇宙演化的关键时期同时测量了 BAO 和 RSD 信号。

  这其实是给宇宙做了一次 CT 扫描。这次成功的尝试获取了宇宙演化历史的珍贵信息。基于此次测量,eBOSS 合作组公布,暗能量存在的置信度达到7.4个标准差水平!这就是说目前观测到的暗能量信号是其统计误差的7.4倍,而根据物理学的标准,通常5个标准差水平的信号就可以认为是“发现”了新的物理现象。因此,这项成果是暗能量存在的强有力观测证据。这也是目前基于星系巡天得到的最高精度的暗能量观测限制。

  未来5-10年,eBOSS 合作组和未来的大型星系巡天项目,如 DESI、PFS 等将在宇宙的更深处,在更高的精度上对宇宙进行全方位 CT 扫描,精确测量暗能量状态方程等关键宇宙学参数,揭示宇宙加速膨胀的奥秘。

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