宇宙的命运将被改写？最新观测揭示，暗能量可能正在减弱！
文摘
科学
2024-09-03 17:21
北京
如果暗能量的压强与密度的比值恒定且小于‒1，暗能量就会“疯狂”加速宇宙的膨胀，直至撕裂整个宇宙。但如果w真的在变大，那么暗能量可能会变得越来越弱，导致宇宙不再加速膨胀。
文 | 凯蒂·麦克（Katie Mack）
译 | 李迎超
编 | 陈强
视觉设计 | 李梅
原载于《科普周报·科学焦点》杂志2024年09期
将一台全新的天文观测仪器命名为“暗能量光谱仪”（DESI），反映了科学家可能有一些“自负”。毕竟，暗能量是完全看不见的——它不会发光，我们无法利用光谱仪收集和分析它。就目前所知，暗能量还无法探测，它们在整个宇宙空间中均匀分布，和我们看见的物质或光线没有任何相互作用。我们唯一知道的是，暗能量会使宇宙膨胀速度加快，但它是如何使宇宙加速膨胀的，科学家还不知道答案。那么，为什么说美国的DESI项目在2024年4月发布的首批数据就颠覆了我们对暗能量的认识？美国基特峰国立天文台的梅奥尔望远镜，DESI就被安装在这台望远镜上。（图片来源：Marilyn Chung/Lawrence Berkeley National Lab/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA）要研究像暗能量这样难以捉摸的东西，过程往往充满了令人沮丧的情况，因为我们只能通过为数不多的几种观测手段来了解它。如前所述，关于暗能量，我们唯一知道的就是它会拉伸时空，因此，要了解暗能量的性质，检验相关理论是否正确，就必须了解在宇宙演化过程中，这种拉伸作用是如何发生的——一种方法是描绘宇宙膨胀史；另一种方法是观察在宇宙的各个演化阶段，物质是如何快速聚集，形成星系和星系团的。通常，计算宇宙的膨胀率需要借助极其精准的宇宙物质三维地图——需要囊括遥远宇宙空间中的大量星系、类星体和星系间气体，以及每个天体的运动信息。绘制这样的地图就要运用到光谱学。我们可以通过分析各种天体的光谱，弄清楚当天体（光源）因宇宙膨胀而远离我们时，它与我们之间的距离到底变大了多少。将计算得到的膨胀率与精准的空间距离结合起来，我们就可以获得有关宇宙演化的宝贵信息，以及一些非常酷的宇宙地图。DESI首批数据的轰动性在于，暗示了暗能量的演化过程可能比我们通常认为的要复杂得多。如果这些不同以往的结论真的成立，它们将重塑我们对宇宙演化史的理解，并改变我们对宇宙最终命运的预测。目前，关于我们对宇宙的认知，最受认可的理论就是标准宇宙模型（主要阐述了宇宙的均匀性和各向同性）。在这个模型中，暗能量是一个宇宙学常数：它是时空的固有属性，均匀不变，本质上就是为空间的每一点都赋予了一点拉伸性。对普通物质而言，当所处的空间因宇宙膨胀而变大时，物质就会被稀释，但是暗能量的密度会一直保持不变。那么，空间的膨胀意味着暗能量越来越多。而如果暗能量是个变量，它的密度或行为会随着时间而变化，科学家可以通过详细描绘宇宙的膨胀史来发现这种变化。在有关暗能量的研究中，科学家都喜欢用暗能量状态方程中的状态参数w（暗能量压强与密度的比值）来概括有关暗能量的观测结果。如果暗能量是一个宇宙学常数，那么我们期盼观测结果中的w始终为‒1。如果w不是‒1，或者会随时间变化（不管是变大还是变小），那么暗能量一定是别的什么东西。而从DESI的数据中，我们发现了一些耐人寻味的情况。如果假定w恒定，那么w为‒1可以很好地解释观测数据。但是，如果考虑到w可能一直在变化，根据DESI的数据，再结合其他有关超新星爆发的观测数据，科学家认为，w应该一直在变大。w在变大到底意味着什么？目前还不清楚。我们知道的是，根据现有理论，如果w是个小于‒1的恒定值，暗能量就可以被称为“幽灵暗能量”。这个不祥的名字是实至名归的，因为“幽灵暗能量”会“疯狂”加速宇宙膨胀，以至于在遥远的未来，可能会撕裂星系、太阳系、恒星，甚至宇宙本身。理论物理学家并不喜欢“幽灵暗能量”，因为它可能会打破一些我们现在公认的非常重要的宇宙基本原则。幸运的是，DESI的数据显示，目前暗能量的状态与“幽灵暗能量”相去甚远，且差距越来越大了。但是，数据也可能表明，一些宇宙基本原则在过去就曾被打破过——这同样会让许多理论物理学家头疼。如果w真的在变大，那么暗能量可能会以微妙而有趣的方式改变宇宙的未来，导致宇宙不再加速膨胀（尽管不大可能让膨胀逆转或完全停止）。也就是说，或许随着时间的推移，暗能量会变得不那么重要了。除了以上几种可能外，还有一种可能是，在未来，暗能量变成了让物理学家感到意外的“新模样”。1992年创刊，畅销多个国家，《科学焦点》聚焦前沿科学，关注正在或即将改变人类生活的研究、技术和产品。长按下图中的二维码或点击文章末尾的「阅读原文」，欢迎来我们的直营店逛一逛！
每期优惠价：22元（原价：40），全年订阅优惠更大
