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赛先生开讲丨它是宇宙主宰者 暗能量再次“撩拨”人类

2017-05-28 18:51  |   浙江新闻客户端 记者 李雅南
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近日,一股操控宇宙的神秘力量再次被科学家发现了行踪。它就是暗能量,暴露它的则是重子声波振荡信号。

据报道,世界最大星系巡天eBOSS国际科学合作组发现了显著的重子声波振荡信号,从而在超新星、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。

暗黑又强大。暗能量(dark energy),放在科幻小说中,绝对是个头号大“反派”,实际也的确如此。最新理论认为,这股力量充斥了宇宙四分之三的空间,而且正在撕裂宇宙,让其不断膨胀,直到分崩离析。

更诡异的是,暗能量不会吸收、反射或者辐射光,所以完全不可见,科学家们只能靠它留下的“痕迹”来证实它的存在,重子声波振荡信号就是其中之一。

很难理解是不是?别担心,这不是有赛先生嘛!

暗能量

主导宇宙加速膨胀的神秘力量

宇宙将何去何从?

2011年诺贝尔物理学奖得主认为,宇宙正在加速膨胀。如果按照这个理论推断,宇宙中的物质将越来越稀疏,最终终结于寒冰。

红移与宇宙膨胀

这个发现之所以能获得诺贝尔奖,原因不在“膨胀”而在“加速”。因为宇宙作为140亿年前大爆炸的结果而进行膨胀的观点已经深入人心。

不过就在100年前,人们还一直宇宙是一个静止的存在,无始无终。甚至连爱因斯坦也一度相信这种静态宇宙论,不过智商超群的他,还是提出了一个被人们忽略的问题:既然星体之间存在着引力,那为什么宇宙没有坍塌?于是他推测,有一种跟引力相抗衡的排斥力存在,还为此设定了一个常数,用希腊字母 Λ表示。之后,这一观点似乎还得到了某种支持——荷兰科学家威廉·德西特甚至求出了爱因斯坦方程式的一个解。

但宇宙中的红移现象改变了一切。

红移,最初是在人们熟悉的可见光波段发现的,其表现是光谱的谱线朝红端移动了一段距离,也就是波长变长、频率降低。随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入,人们发现,波长较短的γ射线、X-射线和紫外线等波段,如果波长增加,也会在波谱上向红光移动;为了方便起见,波长较长的红外线、微波和无线电波等波段因为波长变长而远离红光波段的现象,也还是被称为“红移”。换言之,任何电磁辐射的波长增加都可以称为红移。

那么,什么原因会改变电磁波的波长呢?答案是运动。在宇宙中,当一个天体离你而去时,它的光波就会被拉伸变长,从而发生红移,它的颜色也会越红。这就像一列火车向我们奔驰而来时,它的汽笛声尖锐刺耳,因为火车的高速运动使声波波长被压缩,能量密度增加。相反,当火车离开我们飞驰而去时,它的汽笛声则低沉幽缓。

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1912年,天文学家维斯托·斯莱弗观测到旋涡状星云发出的光都出现了红移,这表明这些星云是离我们而去的。也就是说,宇宙是动态的,而不是静态的。

1929年,在斯莱弗观测的基础上,天文学家哈勃对遥远星系的距离与红移又进行了大量测量工作,他发现远方星系的谱线均有红移,而且距离越远的星系,红移越大,于是得出重要的结论:星系看起来都在远离我们而去,且距离越远,远离的速度越高。这就好比一个布满斑点的气球,当气球膨胀时,彼此靠近的星系将缓慢地分开,但是在气球上离得较远的星系分开得更快。这个发现也被称为哈勃定律(Hubble’s law)

哈勃的宇宙膨胀理论,也直接导致1946年美国天体物理学家伽莫夫正式提出宇宙大爆炸理论,他认为,我们的宇宙诞生于约140亿年的一次大爆炸,星系天体的退行原因正是这次宇宙大爆炸的冲力导致的。

暗能量与加速膨胀

爱因斯坦说过,他这辈子犯下的最大错误是在广义相对论方程式中加入“宇宙常数”,即一种他设想的未知宇宙能量。

但静态宇宙论的虽然被推翻了,爱因斯坦假象的宇宙能量却有可能真实存在。它就是暗能量(dark energy)。

根据哈勃的宇宙膨胀理论,经历早期极速膨胀后,宇宙的膨胀速度会下降,膨胀与收缩达到平衡。然而,1998年,两个独立研究小组在利用超新星观测宇宙膨胀速度时却有“惊人”发现:宇宙膨胀不仅没有减速,反而在加速。

这项发现赢得了2011年的诺贝尔物理奖,从此,物理学界正式承认并接纳宇宙之中存在着一种与引力作用方向相反、至今还没被人类发现的未知力量。理论物理学计算还表明,如果用暗能量解释宇宙的加速膨胀,那么宇宙的73%左右都由暗能量构成。

寻找暗能量的探针

暗能量看不见也摸不着,为了证实它的存在,科学家们找到了三把探针,Ia型超新星、宇宙微波背景辐射和重子声波振荡。

Ia型超新星

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2011年获得诺贝尔物理奖的研究小组,正是通过对Ia型超新星的观测,发现宇宙正在加速膨胀,从而发现了暗能量存在的证据。

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,这就要求选取具有绝对亮度的天体作为标准,也就是“标准烛光”。Ia型超新星就是一个绝佳的选择,因为几乎所有已知的Ia超新星都有相似的绝对发光度。它距离我们近,就会明亮,距离我们远,亮度就暗淡,由此就可以判断这颗超新星距离我们有多远。

研究小组发现了50多个Ia型超新星——它们发出的光比预期的要弱,这正是宇宙加速膨胀的一个证据。因为如果宇宙膨胀越来越慢的话,超新星应该显得更亮才对。

宇宙微波背景辐射

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宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光,是宇宙刚刚第38万岁时出现在天空上的光。科学家 Torsten曾这么解释宇宙微波背景辐射。

1965年,贝尔实验室有两位非常厉害的工程师彭齐亚斯和威尔逊一起做了一台低噪音天线。但是,在调试天线的过程中,他们发现无论天线朝向哪个方向,在波长为7.35cm的地方一直都能接受到一模一样的背景噪声。起初他们以为是天线被干扰或者故障,反复清理和检查的各个地方后,这个背景噪声依然存在。而且这个噪声和一般的干扰不同,在各个方向上噪声都存在且强度几乎不变,随时间也不发生变化。他们因此判断这肯定和地球自转和公转也无关,只可能来自宇宙背景。

科学家们将它解释为源自大爆炸的残余辐射。“大爆炸”之后的宇宙温度极高,之后30多万年,随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

2003年,美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明,含有暗能量的冷暗物质模型可以非常好的与观测吻合。调整这一模型的参数使其与观测尽最大可能的相符,还会得到如下结论:宇宙的年龄是137±1亿年,在宇宙的组成成分中,4%是一般物质,23%是暗物质,73%是暗能量。宇宙的膨胀速度是71公里每秒每百万秒差距,宇宙空间是近乎于平直的,它经历过暴涨的过程,并且会一直膨胀下去。

重子声波振荡

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回到今天的主角,重子声波振荡,说白了就是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹(我们统称扰动在介质中的传播为声波,传播速度为声速)。

宇宙早期的重子流体处于高温、高密状态,宇宙创生时留下的原初扰动就在这样的流体中传播。扰动导致流体的密度在有的区域大有的区域小。当一部分流体密度大于平均密度时,这部分流体的压强就会大于平均压强,这部分流体就会加速向外膨胀,在膨胀过程中它的压强也随之降低。但是因为惯性,在其压强等于外界压强时,膨胀并不会停止,直到速度减为零。而这时候其压强又开始小于外界压强,这部分流体又反过来被外界流体压缩,然后再膨胀,如此周而复始,造成这团流体密度、温度、压强等在时间序列上的周期变化。

但是在宇宙爆炸后约38万年,宇宙的温度已足够低,原子开始形成,声波也停止传播,这种声波振荡信息也被“冻结”了。这种声波印记留存在了星系的空间分布中。

到这个时间点,声波传播的距离相当于当前宇宙中的4.8亿光年,因此,以某一星系为中心,在半径为4.8亿光年的球壳上分布着更多的星系。从我们的视线方向看过去,以这个尺度为半径的圆周上可以观察到更多的星系。这样,这种星系分布中的声波印记就为我们测量宇宙学距离提供了一把标准尺。

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