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“幽灵暗能量”赴宴来了

一个世纪前,在天文学家心目中,宇宙还是一个平静的所在。即使当时整个欧洲都卷入了第一次世界大战,但爱因斯坦还是认为,宇宙从整体上说应该是静止的。所以,他在1917年2月提交给普鲁士科学院的一篇论文中,为他刚出炉的广义相对论方程添加了新的一项——宇宙学常数,旨在保证宇宙永恒静止。

今天,欧洲是和平的,但宇宙却骚动不已。我们早就抛弃了爱因斯坦关于一个静止不变的宇宙的构想。如今,这个宇宙不仅在膨胀,而且在神秘的暗能量作用下,膨胀还在加速。至于暗能量,除了知道它占宇宙总物质-能量近2/3之外,没有人知道它是什么。

而最近,新的测量表明,我们过去对暗能量的理解很可能也是错的,一个新的幽灵潜藏在宇宙中……

宇宙学常数扮演角色的演变

当爱因斯坦在1915年完成对广义相对论的最后一次修改时,他陷入了进退两难的境地。他的方程固然为受万有引力支配的宇宙提供了一个优雅简洁的描述,但有一件事让他不安:没东西能让宇宙保持静止。这个宇宙模型暗示,宇宙或者是膨胀的,膨胀到把自身撕裂为止,或者是收缩的,收缩到一个奇点。这可不符合当时的人们对于宇宙的理解。他的解决方案是,在方程中引入一个叫“宇宙学常数”的项,由它来提供为保持宇宙静止所需的能量。这个数值具体取多少,则依赖于观测。

事实很快证明,爱因斯坦这么做是画蛇添足。二十世纪20年代,美国天文学家哈勃等人发现,遥远的星系正彼此远离,宇宙正在膨胀,而不是爱因斯坦所设想的静止。面对这一事实,爱因斯坦坦率承认,引入宇宙学常数是他一生最大的错误。

但是,也许匆匆承认自己错了才是更大的错误呢。上世纪90年代末,有两组天文学家通过观测宇宙深处超新星的亮度,发现宇宙在加速膨胀。宇宙膨胀在加速,说明必定有什么东西抵消了引力的减速作用,天文学家把这种未知的东西称作暗能量。

但如何在爱因斯坦的宇宙模型中,把暗能量考虑进去呢?最简单的办法就是恢复宇宙学常数。虽然最初爱因斯坦是为了让宇宙保持静止而引入它的,但只要给予一个适当的值,它也可以产生使宇宙膨胀加速的效果。最新的观测表明,用宇宙学常数所描述的暗能量,大约占宇宙总物质-能量的68%。

那么,暗能量又是什么呢?大多数物理学家青睐的一种解释是,它代表着空间的能量。因为按现代物理学的观点,空间不空,虚空也是有能量的,里面此起彼伏地发生着量子涨落。而在广袤的星际空间,什么都缺,就是不缺虚空。把虚空所含的能量考虑进去,那是一项不小的“收入”。但遗憾的是,即使根据目前最好的估计,这些虚空的能量密度也比推动宇宙加速膨胀所需要的暗能量密度,要高出10120倍。

但即便如此,暗能量和宇宙学常数如今已牢牢成为宇宙标准模型的支柱。比起爱因斯坦最初的宇宙模型来,这个模型包含了两种新东西:一种是暗能量,用宇宙学常数来描述;另一种是暗物质,这也是一种神秘不可见的东西,它在星系演化过程中扮演着“脚手架”的角色。

暗能量的作用是推动宇宙加速膨胀(注意:宇宙膨胀是大爆炸的结果,只有加速膨胀才是暗能量推动的结果);而暗物质和普通物质的作用却是使宇宙膨胀减速。当然,既然宇宙膨胀在加速,那说明前者的作用要大于后两者的作用之和。

宇宙的标准“制服”不合身了

在过去的几十年里,宇宙标准模型已证明是相当成功的,我们迄今对宇宙的任何新发现,新认识,它都能解释。

但最近几年,事情变得有些不妙。为宇宙精心定制的这套“制服”,忽然变得“不合身”了。

坏事出在哈勃常数上。哈勃常数是天文学家用来描述宇宙膨胀的速率的。根据哈勃在上世纪初的观测,遥远星系远离我们的速度V跟它离我们的距离D成正比,比例系数即为哈勃常数H。这一简单的关系可写成V=HD。从这个式子可以看到,H的单位是速度/距离。

直到最近,哈勃常数公认的值都来自于欧洲航天局的普朗克卫星。它精确测量了宇宙微波背景辐射(一种宇宙大爆炸后的残余辐射)后,利用现有的宇宙标准模型间接推算出的哈勃常数是67.3千米每秒每百万秒差距。

但这不是获得哈勃常数的唯一方法。

自从哈勃的年代起,天文学家就已经在利用来自遥远的恒星或星系的光来直接测量哈勃常数了。一些被称为标准烛光的恒星散发的能量(天文学上叫光度,也就是实际亮度,它不随观测距离而变化,就像100W的灯泡,虽然近处看很亮,远处看很暗,但它都是100W)是可预测的,只要把它的实际光度跟我们在地球上看到的它的视亮度作比较,就能精确确定其距离。就像100W灯泡,我们在远处用仪器测出它的亮度,就可以计算出我们与灯的距离。这样由近及远地测量宇宙中一颗颗“标准烛光”,能够让我们把标示距离的“里程碑”向宇宙深处一级级推进。这项技术叫宇宙距离阶梯测量。

十年前,宇宙膨胀加速这一事实就是通过宇宙距离阶梯测量发现的。此后十年,天文学家又不断地修正测量结果和扩大测量范围,并由此不断提高哈勃常数的精度。

还在2011年,通过宇宙阶梯距离测量直接得到的哈勃常数,与来自普朗克卫星间接推算所得的哈勃常数,还看不出有明显的矛盾——主要是当时两者都存在较大的误差。然而,自那以后,两者的精度都提高了,误差减少了,这两个数值就表现出明显的差异。最新的宇宙阶梯距离测量将哈勃常数定在73.2千米每秒每百万秒差距,这与普朗克卫星测量推算的值67.3千米每秒每百万秒差距已有了明显的差距。

这就让事情变得棘手。因为来自普朗克卫星的哈勃常数是通过宇宙标准模型间接推算出来的。这意味着宇宙实际膨胀速度比标准模型预言的要快(V=HD,H大了,宇宙膨胀速度V自然也就大了)。

既然宇宙标准模型已经把该考虑的一切——暗能量和暗物质——都考虑进去了,现在还是与实际不符,那意味着必定有什么东西、什么关系被它遗漏了。那会是什么呢?

“幽灵暗能量”来赴宴了

当前,最大的怀疑对象还是标准模型中的宇宙学常数所代表的暗能量。有人提出,我们应该放松“暗能量密度在整个宇宙一生中必须保持恒定”这一要求。换句话说,宇宙学常数不再是一个恒定不变的常数,而是会随着时间推移在增加。

这也意味着暗能量会随着时间变化。当然,暗能量会变化的观点在历史上也不新鲜。早在上世纪80年代,虽然当时还没有明确提出暗能量这个概念,但有人就提出,宇宙中存在一个无孔不入的场,类似于第五种相互作用力,但场的强度可以随着时间改变,一种负能量——将宇宙分开的能量——必须不断地产生,并且一旦产生就不会消失。

当然,这种观点之前是无法接受的,从传统的观点看,能量不能无中生有。所以,有人戏称这种理论中的暗能量是“幽灵暗能量”。暗能量本来就够幽灵的了,因为我们迄今对它几乎一无所知,但它又决定了宇宙的命运;而现在,它又违反能量守恒定律,能从虚无中产生,那真是比幽灵还幽灵了。

尽管不一定接受老版本的“幽灵暗能量”理论,但鉴于近几年宇宙标准模型遇到的困难,宇宙学家不得不惊呼:“幽灵暗能量”又回来了!

藏在幽灵面具背后的

会是什么?

那么,“幽灵暗能量”会是什么呢?在这里,科学家也“技穷”了,只能姑妄言之。

一种观点认为,宇宙中两个最“不合群”的居民——暗物质和暗能量——可能以某种方式秘密地互动,造成我们所看到的影响。例如,如果暗物质不断地衰变成暗能量,那就可以解释暗能量的增长。另一种观点认为,有几个迄今未发现的能量场以某种方式相互作用,产生了一种随时间变化的排斥力。

如果能证明“幽灵暗能量”是子虚乌有的幽灵,当然是最理想的结果。所以,天文学家们还是希望能用更精确的观测来弥合理论与实际的分歧。将在2020年初发射的欧几里得空间探测器以及拟在2019年初开始测量南半球天空的大型巡天望远镜,将有助于改进哈勃常数的测量精度。

另外,在2017年,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座探测器同时探测到了两颗中子星碰撞产生的时空涟漪——引力波。这是天文学家第一次使用引力波探测器和光学探测器观测到同一个天文事件。虽然单独的引力波测量,也可以显示宇宙的膨胀速度,但目前误差太大,而引力波探测器和光学探测器这种组合将为他们提供了一种更高精度的探测技术。

所以,“幽灵暗能量”到底有没有,在尘埃落定之前,让我们还是先不要急着下结论吧。

小贴士


标准烛光

天文学上已知光度的天体。由于一些天体特殊的发光机制,它们的光度是可以预测的,而且这类天体在任何位置、任何时间,其光度都保持恒定。这就让它们可用做标示宇宙距离的“里程碑”。选做标准烛光的天体一般是超新星。

秒差距

像光年一样,这是天文学上常用的一个距离单位。假设有一颗恒星,以太阳、地球和它为顶点构成一个三角形,底边是日地连线。如果恒星离太阳系足够遥远,我们可以近似认为它离太阳和地球是等距的。如此一来,这个三角形就是一个等腰锐角三角形。显然,所张锐角越小,恒星离我们越远。所以,所张角度数可当作衡量恒星距离的一个标准。1秒差距就是指,当张角度数为1秒时,恒星离开我们的距离。1秒差距大约相当于3.26光年。注意,百万秒差距,严格说应该是百万分之一秒差距。这是翻译上的一种简略说法。百万秒差距就是3.26×106光年。

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