您的位置:永利手机网站 > 科技中心 > 揭秘宇宙加速膨胀背后的暗能量永利手机网站

揭秘宇宙加速膨胀背后的暗能量永利手机网站

2019-04-27 15:37

原标题:另一个宇宙入侵的产物!天文学家:它违背了宇宙学原理

永利手机网站 1

根据宇宙学原理,尽管宇宙中存在大量星系、星系团等结构,但在10亿光年的大尺度上,宇宙应该是均一的。然而,陆续涌现的天文学观测却向其提出了挑战。如果宇宙学原理是对的,那么一个惊悚的候选理论是:在更高维度的空间里,另一个宇宙与我们的宇宙相遇,产生了这些横亘几十亿光年的神秘物体。

宇宙三维图像切片图 观测者到星系和类星体的距离以回溯时间 (lookback time) 标注。回溯时间表示从遥远天体发出的光到达观测者所经历的时间。右边缘对应可观测宇宙的极限,从中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景 (Cosmic Microwave Background, CMB)。 图片来源:作者提供

在星罗密布的星系团间,一个直径20亿光年的巨型空洞;

永利手机网站 2

由巨大的类星体构成,横亘40亿光年的弦;

位于美国阿帕奇天文台的斯隆望远镜 依托该望远镜,科学家成功完成了重子声波振荡巡天,并正在使用它对宇宙更深处的天体进行拓展重子声波振荡巡天。照片来源:斯隆数字巡天官方网站

由高能的伽马射线暴构成,占据可观测宇宙6%的巨大的环……

永利手机网站 3

随着我们对宇宙的观测变得更加清楚,天文学家发现了一系列巨大的结构,它们比我们以前所知的任何天体都要大。关于这些结构的问题只有一个:它们原本都不应存在。

爱因斯坦广义相对论预言的时空弯曲示意图。图片来源:NASA

巨型结构挑战宇宙学原理?

编者按 不久前,由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号,这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据,引起了世界的广泛关注。暗能量到底是什么?暗能量如何观测?宇宙加速膨胀背后的物理机制到底是什么?爱因斯坦建立的广义相对论错了么?特邀eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博和中国科学院高能物理研究所研究员张新民从暗能量的发现谈起,深入解读这个正在推动宇宙加速膨胀的神秘力量以及国内外暗能量研究的未来发展态势。

地球在宇宙中的位置并不特殊。这一观点经哥白尼提出后,已经成了天文学家的基本共识。此后,天文学家该原理的适用范围延伸至整个宇宙:宇宙中没有任何特殊的位置,这也被称作宇宙学原理。在恒星系统、星系和星系团层面上或许有一些不均匀的地方,但是在更大的尺度上,宇宙应该是均一的。宇宙中不应该有星系构成的巨大的墙,不应该有空荡荡的地方,也不应该出现巨大的结构。

1.暗能量确实存在,宇宙正在加速膨胀

因此,最近涌现出的发现搞得天文学家们有点紧张。但是解决方法也同样充满争议。有研究者宣称这些巨大的结构是另一个维度的投影。如果他是对的,我们将能够首次证实,在我们的宇宙之外还有另一个宇宙存在。而且由于这些巨大的结构并不是我们宇宙中的实体,宇宙学原理也依然成立。

科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

宇宙中存在特殊区域的想法是为现代宇宙学所不容的。英国朴茨茅斯大学宇宙学家Seshadri Nadathur说:“自文艺复兴以来,我们所有的工作都是反对这一想法的。”这一观点也使得用广义相对论来解释宇宙演化的任务变得更加复杂。“爱因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。”Nadathur说。但至少目前,宇宙学原理还仅仅是一种猜想。没有任何证据表明这是对的,而已有的证据似乎越来越多地反对这一观点。

重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹,在宇宙爆炸后约38万年,声波振荡信息被“冻结”。如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

就拿那个20亿光年宽的巨型空洞来说,它的发现者之一,西班牙巴塞罗那高能物理研究所的András Kovács说:“那部分宇宙的星系数目比平均值要少10000个。”根据最新的数据,天文学家相信宇宙学原理在大约十亿光年的尺度下一定是对的。在这一尺度下,任意给定区域的物质多少都是相近的。这个巨洞的宽度几乎超过这一界限一倍,看起来十分显眼。Kovács团队称这个洞为超巨洞,并相信这个洞有可能解释宇宙微波背景辐射中巨大的冷斑,一个困扰天文学家十几年的问题。

在介绍加速膨胀之前,我们先简要回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃(Edwin Hubble)在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体退行速度与它们离我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界,甚至让很多人不安,因为此发现让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。

超巨洞还不算是最大的问题。2012年,英国中央兰开夏大学的Roger Clowes团队宣布发现了一个40亿光年长的巨大线状结构,比超巨洞还要大一倍多。“我们当时想‘这是什么?’很明显那是非常不寻常的东西。”Clowes说。这一次并不是空间中有一个空洞,而是有的位置异常拥挤。这一结构被称作巨型超大类星体群,包含73个类星体(类星体是指非常遥远,极度明亮的活动星系核)。天文学家在20世纪80年代早期就知道类星体总是聚在一起,但是尺度如此巨大的类星体群还前所未有。

永利手机网站,哈勃发现的是一种时空膨胀效应。通常的引力效应只能让宇宙减速膨胀,而科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量,它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。

永利手机网站 4

要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

图中的黑色圆圈为观测到的巨型超大类星体群。

1998年,由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组,几乎同时在超新星观测中发现了暗能量存在的证据,以此获得了诺贝尔物理学奖——在北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P.Schmidt和美国科学家Adam G.Riess,以表彰他们一项震惊世界的科学发现:宇宙正在加速膨胀!

2015年,匈牙利的天文学研究团队发现了一个巨大的伽马射线暴(GRB)群,伽马射线暴即为由遥远星系发出,能量极高、寿命短暂的能量爆发。发射GRB的星系看起来组成了一个直径达56亿光年的圆环,占据了6%的可观测宇宙。“我们真的没有预料到会发现这么大的结构,”来自匈牙利康科利天文台,领导这项研究的Lajos Balázs说。这个尺度比宇宙学原理预言的宇宙应该呈现均一结构的尺度还要大五倍。

此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。这些类星体非常遥远,现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光,远在地球形成之前。

宇宙学原理在我们对于宇宙的理解中占据了非常基本的位置,所以这样明显的反例让天文学家和宇宙学家都很不舒服,甚至这些现象的发现者也不例外。谈到构成GRB大环的强烈闪光时,有人认为其周围可能存在其他星系,这些星系的光因为没有GRB而显得没那么亮。这就像一间黑屋子中均匀分布着电灯泡,而如果只有一部分是亮的,你就有可能对灯泡的分布得出错误的结论。“这个大环并不一定违反了宇宙学原理。” Balázs说。

之前eBOSS国际合作组的专家都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。

永利手机网站 5

那么什么是类星体?为什么会选择用它来观测?类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是类似恒星的天体而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中,我们都能看到类星体。

图片来源:ESO/M。 Kornmesser

重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况,物质密度越高的地方,星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测,主要是比较亮一些,在更遥远的地方都可以看到。

重合的宇宙膜

2015年至今,eBOSS国际合作组顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究,证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势,为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目也受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。

巨型超大类星体群同样引起了激烈的争辩。“我认为这根本不是什么结构。”Nadathur说。2013年,他发表了一篇研究Clowes团队数据分析算法的论文,计算了随机分布的类星体在这种算法下形成结构的可能。他说:“即使什么都没有,用他们的算法也很可能看到某些结构。”但是类星体群的存在也并未因此被直接否认。

2.宇宙中约70%的能量是由暗能量提供,约25%由暗物质提供,而我们熟悉的普通物质只占5%

本文由永利手机网站发布于科技中心,转载请注明出处:揭秘宇宙加速膨胀背后的暗能量永利手机网站

关键词: