难以置信的宇宙暗能量,它真的强大到能撕裂毁

时间:2019-10-08 11:09

二十世纪末发现的天文大事件中,莫过于通过Ia型超新星观测发现宇宙正在加速膨胀这一令人震惊的事实!从上世纪二十年代起,已经通过勒梅特和哈勃的观测发现遥远的宇宙曾在快速的离去,而宇宙正在膨胀这个事实也正逐渐被大众所接受,但宇宙正在加速膨胀的发现着实给了宇宙学家们不小的打击,因为他们又得修改宇宙学模型了。


宇宙正在加速膨胀?

其实发现宇宙正在加速膨胀的还不止一个研究小组,因为在80年代末和90年代初,由Perlmutter 领导的“超新星宇宙学项目”于1989年启动。由Schmidt 、Riess 与 Filippenko领导的“高红移超新星探测组”,也在随后的1994年启动,目标都对准了宇宙中的标准烛光Ia型超新星,但这很困难,因为Ia型超新星本来就比较少,而且要求还是尽可能远(宇宙在大尺度上的膨胀红移才会更明显)


功夫不负有心人,两个小组都找到了足够的目标天体并且通过统计与研究分别得出了结论,作为标准烛光的Ia型超新星的光度看起来比宇宙“标准速度”下膨胀要更暗淡一些(红移更严重),如果按距离计算那么大约要远10%-15%左右。


根据这项研究,两个团队都分享了2011年的诺贝尔物理奖。


什么是红移?


在这里我们要简单介绍些这个宇宙学名词,与日常中我们司空见惯的喇叭声靠近和远离时不一样,光源在接近和远离时同样会有类似的效果,这种效果叫做多普勒频移!


光源靠近时,频率被压缩,看到的光线会向蓝紫方向移动,称为蓝移。如果光源远离则光频率会被压缩,则看到的光线向红光方向移动,称为红移,遥远天体都远离速度会根据距离不一,因此天体的红移值会表示它距离地球的远近程度


Ia型超新星是什么星?


这种超新星是一种特殊条件下形成的超新星,一般都是双星中的一颗先演化到碳氧白矮星阶段,因为温度不够,恒星内核在没有热压力的情况下坍缩为碳氧白矮星,而双星中的另一颗演化到红巨星阶段时,其膨胀的气壳将会落入白矮星的洛希瓣而被吞噬,当吞噬物质增加,内核压力增大,温度上升将会触发碳聚变,与恒星内核可以自我调节热压力不一样,这种简并态物质聚变并不是白矮星的质量所能控制,最终这种失控的核聚变反应将整颗白矮星彻底炸散,中心不会再留下天体。


Ia型超新星爆发的质量比较稳定,都是超过钱德拉塞卡极限时坍缩导致核心失控核聚变,这种超新星爆发的光度很稳定,因此天文学家经常将其作为“标准烛光”参考测定星系距离。


另一种Ia型超新星是两颗白矮星合并(还有一种特殊的IaX型,有兴趣的朋友可以搜索了解下)。


宇宙膨胀与Ia型超新星之间的关系


上文我们说明红移的原因,而宇宙正在膨胀,据最新测定,哈勃常数为67.15千米/秒/百万秒差距,根据这个结果测算的在某个星系的红移尺度是有一个范围的,上文两个团队的研究展示了宇宙正以超过我们测算的速度膨胀,这就是宇宙正在加速膨胀的由来。


宇宙为什么会加速膨胀?

1、宇宙的临界密度


从宇宙大爆炸模型逐渐被接受以来,宇宙膨胀速度的测定与宇宙未来的结局就一直是大家津津乐道的话题,膨胀的宇宙有一个重大的制约因素,因为质量弯曲的时空会将整个宇宙的天体最终汇集到一起,但这有一个衡量标准,这个标准是根据在弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规和广义相对论。


弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规是根据宇宙学原理,在满足均匀性与各向同性的要求上,宇宙的形状只有三种,不过这个名字念起来实在太长,一般都称罗伯逊-沃克度规


当然这还有一个前提,就是K的取值,2009年发射的普朗克卫星通过宇宙微波背景辐射以及引力透镜与重子声学振荡等的综合观测,发现宇宙的平坦度为0.001±0.006,即宇宙在6‰的精度上仍然是平坦的。那么以此为标准推导出宇宙临界密度计算公式:


当H=70千米/秒/百万秒差距时,宇宙的临界密度为3.6×10^-30g/cm^3,当前宇宙膨胀速率为67.15千米/秒,两者非常接近。


2、暗能量


似乎我们的宇宙正是要如此临界状态维持下去,但1998年从Ia型超新星爆发观测到宇宙的膨胀似乎正在超过我们以往观测到的宇宙膨胀速度,而且要高出10-15%。跟根据观测到的Ia型超新星测算,宇宙在诞生98亿年时开始加速膨胀,这个膨胀大约在距今约40亿年前开始加速。


天文学家是厚黑学的高手,立即修改宇宙膨胀的模型,引入了暗能量这个概念来解释宇宙为什么会加速膨胀,并且WMAP和后续普朗克卫星通过观测,计算了宇宙中最精确的物质比例,这是第二个大跌眼镜的数据。宇宙中居然物质只有4.9%,暗物质则占了26.8%,暗能量甚至占到了68.3%。如果按照这个比例下去,未来的膨胀模型将会以宇宙无限膨胀告终。


暗能量:这是美国理论宇宙学家麦可·特纳在1998年因宇宙加速膨胀而提出的一个概念,天文学家认为暗能量是某种直接作用于时空结构的能量,产生的和引力相反,导致时空结构膨胀的能量。请注意,到现在为止暗能量仍然只是一个计算值。


宇宙未来的结局是什么?

在暗能量的主导下,宇宙的未来是一个可以预期的结果,无限膨胀,一直到热寂的状态,尽管宇宙学模型提出几个宇宙未来的结局


但从现代天文的观测中,所有的证据都指向宇宙将达到无限膨胀的热寂状态,我们很容易可以理解这个热寂是什么意思,因为空间的无限膨胀,未来宇宙的密度将会达到临界密度以下,物质的引力再也无法让宇宙重新走向稳定或者坍缩,最终星云也将消散,红矮星熄灭后再也无法诞生新的恒星,宇宙陷入一片黑暗,但这只是热寂的开始而已。


质疑的声音


2015年6月,三位相关领域的研究专家在《科学报告》上发表了一篇文章,分析了JLA提供的740颗Ia型超新星样本(比早先两个小组用的超新星样本数量高出几十倍),他们认为宇宙加速膨胀的确信度不足3σ(Σ小写 ,用于表示统计学上的标准差),而一般用于粒子物理中的标准是5σ


作为围观群众的您是否有松了一口气的赶脚吗?但请你不要高兴的太早了,因为瞬间反转的好戏还在后头!


瞬间反转:支持的声音


在三位质疑的声音还在余音绕梁之时,同年十月劳伦斯伯克利国家实验室的 Hayden 与佛罗里达州立大学物理系、劳伦斯伯克利国家实验室的 Rubin 在 arxiv 网上发表论文表示支持1998年两个小组的研究工作,他们也对JLA提供的Ia超新星样本进行了严格分析,确信宇宙确实在这个尺度上出现了加速膨胀的迹象。


诺贝尔奖的一锤定音


2011年,领导两个小组各自得出结论的负责人获得2011年的诺贝尔物理学奖,根据各自在团队中的贡献一起分享了奖金。


可能大家都知道爱因斯坦从未因相对论获得诺贝尔物理奖,并不只是评选委员为那帮老古董看不明白他那天书般的理论,而是很难验证,诺贝尔奖在这一方面尤其谨慎,此次两个小组获奖这一实锤基本上是科学界在宇宙膨胀这一理论上支持了加速膨胀这个观点。


宇宙正在加速膨胀的目标直指热寂,也就是俗称的大撕裂,不过各位却不必太担心,因为这距离现在还早呢,而且宇宙膨胀在本星系群的尺度上表现是不明显的,在这个范围内主导的是引力,因为暗能量需要在大尺度上才会接过引力主导的大棒。