宇宙会像吹气球一样膨胀到爆吗?

天文学家最新公布邻近宇宙膨胀进一步加速

【新唐人北京时间2020年01月20日讯】2020年1月8日,在美国夏威夷檀香山举行的第235届美国天文学会年会上,天文学家公布了宇宙膨胀速度测量的最新结果。令人惊讶的是,新结果与以前的观测结果有巨大差异。

最新结果使用引力透镜法进行测量。由于宇宙中星系的巨大引力,它们可以像一个巨型放大镜一样,放大并扭曲了来自其背后天体的光。利用这个效应天文学家可以精确测量星系与地球的距离,从而测定宇宙膨胀速度。

然而,研究人员发现新方法测定的邻近宇宙的膨胀速率与之前通过微波背景辐射所测定的遥远宇宙的膨胀速率之间有明显的差异。

宇宙的膨胀速率一般用哈勃常数来描述。知道哈勃常数的精确值对于确定宇宙的年龄、大小、以及宇宙的演化至关重要。揭开这个谜底是近年来天体物理学面临的最大挑战之一。新研究结果表明我们现有的宇宙模型可能存在巨大漏洞,需要新理论来解释邻近宇宙和遥远宇宙之间哈勃常数的差异。

进行新的哈勃常数测量的研究项目叫作H0LiCOW。该项目组在过去的二十年中极大的改进了引力透镜测量哈勃常数的技术。

H0LiCOW和其它最近的测量结果表明,邻近宇宙的哈伯常数比欧洲航天局的普朗克卫星(Planck satellite)对遥远宇宙中微波背景辐射进行的哈勃常数测量要更大。

H0LiCOW小组负责人、德国马克斯•普朗克天体物理学研究所(Max Planck Institute for Astrophysics)的研究员、同时也任职台湾中央研究院的苏游瑄(Sherry Suyu)教授说:“如果这些结果不一致,则可能暗示我们尚未完全理解物质和能量如何随时间演化,特别是在早期时的演化。”

H0LiCOW团队使用哈勃望远镜观测了六个遥远类星体发出的光线。(1950年代初,英国、澳大利亚天文学家注意到他们的无线电天线可以接收到一些来自天外的电波。古尔德和霍伊尔率先意识到这些电波来自银河之外,可能非常遥远。因为用光学天文望远镜看不到发射这些电波的源头,不知道是不是来自恒星、星系,便暂时把它们的来源叫做“类星体”(quasar。这个词是华裔物理学家丘宏义(Hong-Yee Chiu)生造出来的。)

类星体的艺术想像图(ESO/M. Kornmesser/wikimedia commons)

望远镜观察到来自每个类星体的光如何通过巨大的前景星系的引力扭曲放大成四个图像。研究的星系距离我们有30亿到65亿光年。类星体与地球的平均距离为55亿光年。

来自每个透镜类星体图像的光线到达地球的路径略有不同。为了追踪每条路径,天文学家监视了类星体的黑洞吞噬物质时产生的闪光。当光线闪烁时,每个被引力透镜的图像会在不同的时间变亮。

这一闪烁序列使研究人员能够测量透镜光沿着其到达地球路径时每个图像之间的时间延迟。然后,天文学家可以推断出从星系到类星体,以及从地球到星系之间的距离。通过比较这些距离值,研究人员测量了宇宙的膨胀速率,即哈勃常数。

团队成员,日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所的研究员Kenneth Wong说:“每个时延的长短都表明宇宙膨胀的速度。如果时间延迟更短,那么宇宙在以更快的速度膨胀。如果时间更长,则说明膨胀速度更慢。”

研究人员计算出的哈勃常数值为每兆秒差距73公里/秒,其不确定性为2.4%。这意味着,由于宇宙的膨胀,每离开地球330万光年,一个星系就会以每秒73公里的速度远离我们。

该团队的测量值接近于另一个叫作SH0ES的团队测量的的哈勃常数。 SH0ES的测量是基于通过使用造父变星和超新星来测量星系的距离。

但是,SH0ES和H0LiCOW值与普朗克卫星测定的哈勃常数大约每兆秒差距67公里/秒的结果显著不同。

“我们克服的挑战之一是通过一个称为COSMOGRAIL的项目进行专门的监视程序,以获取其中一些类星体透镜系统的时间延迟。” COSMOGRAIL项目负责人,瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne )的研究员Frédéric Courbin说。

从2012年开始,H0LiCOW团队已获得哈勃图像和10个被引力透镜的类星体及其引力透镜星系的时延信息。该团队的目标是观察30个以上的透镜类星体系统,以将其2.4%的不确定度降低到1%。

自从宇宙诞生以来,它就一直在膨胀。天文学家对宇宙膨胀的速度一直争论不休,各种观点也越来越令人眼花缭乱。从邻近来源测量的膨胀速率,似乎与从遥远来源测量的膨胀速率相冲突。一种可能的解释是,宇宙中发生了一些奇怪的事情,改变了膨胀速率。

宇宙膨胀的一个常见类比是气球上的点,每个点代表一个星系。当气球被吹大时,这些点就越来越远。如果气球的类比是正确的,那到底是什么在吹气球呢?

意大利帕多瓦大学的理论物理学家马西莫•塞尔多尼奥(Massimo Cerdonio)提出,宇宙中出现了一种全新的粒子,并且正在改变我们整个宇宙的未来命运。

主导目前宇宙膨胀的是一种神秘的现象,科学家称之为暗能量。就这种我们根本不理解的东西而言,这是一个恰如其分的名字。我们只知道,宇宙的膨胀速率还在增加,而驱动这种加速的力量就是“暗能量”。

ΛCDM模型,加速扩张的宇宙。(Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia commons)

在年轻宇宙与现今宇宙的比较中,物理学家假设暗能量(不管它到底是什么)是恒定的。但如果是这样的假设,分歧就仍然存在,因此可能暗能量正在改变。

让我们假设暗能量正在改变。科学家猜测暗能量可能与被锁在时空真空中的能量有关。这种能量来自于宇宙中弥漫的“量子场”。在现代量子物理学中,每一种粒子都与特定的场联系在一起。这些场“冲刷”著所有的时空,有时,场的一部分还会在某些地方变得非常活跃,形成已知的粒子,比如电子、夸克和中微子等。所有的电子都属于电子场,所有的中微子都属于中微子场,以此类推。这些场的相互作用构成了我们理解量子世界的基础。

无论去到宇宙的什么地方,你都无法逃离量子场。即使某个特定位置的量子场没有足够的振动来产生一个粒子,它们也仍然在那里,不断摇摆和振动,做着正常的量子运动。因此,这些量子场具有一定的与之相关的能量,即使在真空中也是如此。

如果我们想利用时空真空的量子能量来解释暗能量,我们马上就会遇到问题。科学家进行了一些非常简单的计算,估计真空中有多少能量是由所有的量子场引起的,结果得到一个比观察到的暗能量强120个数量级的数值。然而,当科学家尝试一些更复杂的计算时,得到的结果却是零。这也与暗能量的测量值不一致。

因此无论如何,我们都很难通过时空真空能量(由量子场产生的能量)来理解暗能量。但是,如果宇宙膨胀速率的测量都是准确的,那就表明暗能量确实在变化,这可能会给我们一些了解量子场本质的线索。具体来说,如果暗能量在变化,那就意味着量子场本身也在变化。

马西莫•塞尔多尼奥(Massimo Cerdonio)近期在阿奇夫论文预印本网站arXiv上发表了一篇论文,计算了暗能量变化所需的量子场变化量。

如果存在一个与暗能量变化有关的新量子场,那就意味着宇宙中存在一种新的粒子。塞尔多尼奥计算出的暗能量变化值要求特定的粒子质量,而这一质量刚好与此前预测的一种新粒子的质量大致相同,那就是所谓的轴子(axion)。物理学家提出这个假想粒子的原因,就是为了解决我们在理解强核力的量子理论时遇到的一些问题。

轴子可能出现于非常早期的宇宙,但一直“潜伏”在宇宙微波背景中,由其他力和粒子控制着宇宙的走向。现在可能轮到轴子发挥作用了……即便如此,我们还从未探测到轴子。如果科学家的计算是准确的,那就意味着轴子确实存在,充满了宇宙和宇宙中的量子场。或许轴子通过改变宇宙中暗能量的数量,已经引起了科学家的注意。尽管还从未在实验室里探测过这种粒子,但它可能正在最大的尺度上改变着宇宙。

我们都知道,如果气球一直吹,最终的结果就是爆掉。宇宙的膨胀速度正越来越快,宇宙会像吹气球一样膨胀到爆吗?

(转自希望之声/责任编辑:叶萍)

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