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暗能量

2015-2-16 09:45|查看:2216|评论:0|字体: 繁体

今期与早期的宇宙质能分布饼图

今期与早期的宇宙质能分布饼图

物理宇宙学中,暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中,暗能量占据宇宙68.3%的质能。

暗能量现有两种模型:宇宙学常数(即一种均匀充满空间的常能量密度)和标量场(即一个能量密度随时空变化的动力学场,如第五元素和模空间)。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。在空间上变化的标量场很难从宇宙常数中分离出来,因为变化太缓慢了。

暗能量这个名词是由麦可·特纳引进的。

暗能量的相关解释

虽然暗能量存在的证据都来自于间接推测,但有三个主要证据支持:

根据遥远星系距离与红移量的观测,显示宇宙在它演化过程的后半段经历了加速膨胀。

实际观测的宇宙是平坦的,这显示宇宙的物质密度应该近似等于大爆炸理论中的临界密度。但是暗物质和通常物质的观测总量加起来都远远不够,需要有额外的物质贡献质量。

宇宙大尺度质量密度的傅立叶谱支持暗能量存在的假设。

目前通常假设,暗能量在宇宙中各向同性,密度非常小,且不与通常物质发生任何除引力之外的已知的相互作用(即电磁,强,弱相互作用)。暗能量的密度又非常之小,大概10−29 g/cm3,因此地球上的实验室应当很难直接发现它。但是因为暗能量应该充满了所有的宇宙空间,因此它占宇宙质能总量的68%,这显著地影响了宇宙整体的演化。目前的两类暗物质理论——宇宙常数理论和基本标量场理论,都包含了暗能量的两种重要性质——均匀和负压。

关于暗能量的“负压”

根据广义相对论,造成引力效应的时空弯曲不仅仅受物质的质量影响,也受到物质不同部分之间的应力的影响。其中,压强是物质的应力的一种形式。物质的质量密度、动量密度和物质的应力张量共同组成了物质的能动张量,共同决定了时空曲率。因此,从由广义相对论推导出的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规解中,能看出足够强的负压对宇宙演化的影响:当w<-1/3时,如果宇宙已经在膨胀,负压将使宇宙加速膨胀,而如果宇宙已经收缩,它又将使宇宙停止收缩重新膨胀。

该加速效应有时被称作“引力排斥”,但负压并不会造成个别物质之间的排斥作用,它们仍然是相互吸引的。但是,负压充斥宇宙,却会造成类似宇宙背景时空整体被吹涨的效应,结果是宇宙加速膨胀了。

暗能量存在的具体观测证据

超新星

1998年,高红移超新星搜索队观测组发表了Ia型超新星的观测数据,显示宇宙在加速膨胀。随之,1999年,超新星宇宙学计划计划证实了该结果。该项工作于2011年获得诺贝尔奖。

Ia型超新星可被视为测量大尺度长度的标准量天尺。这种超新星爆发时的绝对星等都一样,只要观测到他们的视星等,就可以测出它们到地球的距离。而红移量又能体现退行速度。因此可以将距地球不同距离的Ia型超新星的红移量与宇宙学方程的预言值进行比较。取定合适的参数,ΛCDM模型模型比较符合观测。

宇宙微波背景辐射

无论是何种形式的暗能量,它都对宇宙空间大尺度曲率有贡献。对宇宙微波背景辐射的观测,可以测量出宇宙目前的曲率,以及宇宙中暗物质和通常物质的含量。目前的观测结果是,我们的宇宙接近平坦,因此宇宙的总物质量应该接近等于临界密度临界密度。但微波背景辐射测出的宇宙暗物质和通常物质的含量仅有该值的30%左右,则剩下的为暗能量。

威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星耗时七年,给出的数据是宇宙物质的72.8%是暗能量,22.7%为暗物质,通常物质占4.5%。2013年,普朗克卫星卫星给出的数据是,68.3%的暗能量、26.8%的暗物质、及4.9%的通常物质。

大尺度结构

在早期宇宙“光子退耦”发生前,所有物质,包括光子,电子,重子等,都组成了一锅均匀的“等离子体汤”。在其中,所有的粒子自由程都极短,走一点路程就会被其他粒子散射,所以这种等离子体内部的相互作用极强。当然,这种等离子体也不是完全均匀的,上面会有微小的密度涨落。由于暗物质退耦更早,因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物质,这些部分吸引周围的物质向其靠近。由于这种早期的等离子体内部相互作用非常强,因此在被吸往密度较大的核心的过程中,会聚集而造成局部压力过大,因此会向周围辐射一种“重子声波震荡”,就如同在水中丢一颗石子,外围产生一圈波纹一样。由于暗物质早就退耦了,除了引力之外它不与等离子体相互作用,因此暗物质留在中心,而等离子体则形成了被暗物质吸引的部分的一个核心,以及周围包裹的压力较大部分的一个壳状密度较大区域,那是“重子声波震荡”的波前。这个壳状区域可以以光速的一半向外扩张。

之后,随着宇宙膨胀,等离子温度下降,光子退耦出去,形成了今天宇宙微波背景辐射的源头,而组成壳状区域的重子和电子物质结合生成原子核。由于失去了光子作为相互作用的传递媒介,重子之间的相互作用开始以引力为主,“壳状区域”不再受波的传播定律的制约,因而扩散停止,被固定住。由于早期宇宙温度几乎是均匀的,而温度下降到某个值时,光子会突然“同时退耦”,因此所有的“壳状区域”都会同时固定,继而只受引力相互作用,只随宇宙膨胀,而不继续向外传播,并且互相干涉,形成宇宙中今天看到的各种复杂结构。这些壳状区域继续不停地吸引落入的物质,形成各种星系,因此我们能在宇宙中观测到各种大小几乎一致的空洞(~150兆秒差距),空洞的周围是一群星系组成的壳。这种空洞也可以作为宇宙的“量天尺”。

2011年,WiggleZ计划调查了银河系附近200,000个星系,利用这些空洞作为标准量天尺校正周围星系与地球的距离,再测量这些星系的红移量,类似前述的超新星测量法,也得出了宇宙在大约70亿年前开始加速膨胀的结论。同时,它给出了目前宇宙的涨落大约为1/10。

萨克斯-瓦福效应

我们目前观测到的宇宙微波背景辐射的光子,在到达探测器之前,走过了很长一段距离。在这段距离上,光子必然受到其附近天体的引力场影响,被红移或蓝移。由于宇宙的物质并不可能完全均匀分布,因此光子经过的路程上将布满很多引力势阱或势垒,这将造成不同方向的背景辐射光子温度产生差异。当然,由于原始宇宙的量子涨落,微波背景辐射的光子本来就存在由此而来的各项异性,这贡献了微波背景辐射各项异性的大部。萨克斯-瓦福效应在此基础上,进一步叠加了一部分各项异性。

宇宙如果加速膨胀,将改变光子运行路上的引力势阱或势垒的构造,因此在光子通过势阱或势垒的过程中,这种变化的信息就体现在光子中。因此微波背景辐射的各项异性,将有助于我们了解宇宙各个方向的情况。2008年,Ho et al.以及Giannantonio et al.两个小组分别报道了他们的分析结论,显示宇宙在加速膨胀。

关于对暗能量进行理论解释的尝试

宇宙常数

爱因斯坦的引力场方程并不能禁止一个宇宙常数项。爱因斯坦本人曾引入这一项,使得宇宙存在一个静态解。虽然爱因斯坦本人宣称这是他一生中最严重的错误,但是现在宇宙的加速膨胀效应似乎表明,引力场方程中应该有这么一项,虽然它很小。

当然,这一项可以直接“手放”进引力场方程中,但是大家更希望给它一个解释。宇宙学常数项等效于一种物质,它处处存在,且具有负压强。描述粒子物理的量子场论预言了真空“不空”,它里面充斥了各种虚粒子涨落,因此真空本身当然具有能量,称为“真空能”,这种量子效应导致的真空能即等效于一个宇宙学常数。不幸地是,多数粒子物理理论预言的真空能数值过大,通常比测出的暗能量密度(10−29 g/cm3)多出120个数量级,因此这也是粒子物理学理论中一个很深刻的问题。

某些粒子物理学理论,比如超对称理论,其中各项真空能项可以被抵消。但这样又带来一个问题,为何真实宇宙中的真空能又没有被精确抵消,而残留了这么一点点呢?当然,超对称必须破缺,因此真空能不可能严格为0。但另一方面,目前超对称理论无法被实验证明是否是正确的,就算它在短期内被加速器实验证实,它仍然还不是一个有效理论,因为超对称破缺的具体机制并不清楚,而这也会强烈影响真空能的大小。能否给出正确的暗能量数值,也将是检验超对称理论的一个重要标准。

标量场理论

我们也可以在理论中直接引入一种标量场(可以被称作“第五元素”),用以驱动宇宙进行加速膨胀。与前述的宇宙常数理论不同,标量场理论允许暗能量有一定的不均匀。为了避免不均匀的程度太大,这种标量场的质量(也就是它拉氏量中的二次项系数)必须很轻,这样才能产生一个大的康普顿波长。

但是,如果认为任何场论都必须被量子化,这种标量场理论也必须被量子化。但是标量量子场论的质量并不是稳定的,也就是说,辐射修正不能保证标量场在重整化后的质量项仍然很小,这样,理论面临困难。

某些标量场理论能回答,“为何宇宙加速膨胀恰好能被我们观测到?”这个问题。如果宇宙加速膨胀得稍微早一点,那么在银河系形成之前,物质就已经由于宇宙的加速膨胀而互相分离,不能再凝聚成任何星系系统,也就不能产生人类了。这些标量场理论具有一种称为“tracker”的性质,“tracker”的意思类似追踪,追踪的对象是宇宙中的辐射。在宇宙早期辐射为主时期,这种标量场并不表现任何效应,也就是跟着“追踪着辐射走”,当辐射逐渐被宇宙膨胀稀释,密度降到物质密度以下,就触发了这种标量场开始产生效应,推动宇宙逐渐加速膨胀。

对于宇宙加速膨胀历史的考察,可以了解暗能量的状态方程,进而定出它压强和密度的关系。在自然单位制下,宇宙常数理论语言压强的数值严格等于密度(w=-1)。2004年,一项研究似乎观测到了一点偏离。

一些标量场理论被称作“phantom energy”,它们预言暗能量密度将随时间的流逝而不断增加,甚至能最终导致“大撕裂”。另一些理论则非常大胆地将标量场的动能项写成负的。

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