陽泓微

【摘 ?要】本文對暗能量宇宙與暗能量天體的物理性質(zhì)進行了一些研究。主要介紹了宇宙加速膨脹的觀測和暗能量宇宙模型，以及暗能量產(chǎn)生的相對影響，并對相應(yīng)的暗物質(zhì)的一些探測。初步探究暗能量宇宙與黑洞的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】宇宙加速膨脹;暗能量;宇宙模型;影響;暗物質(zhì);黑洞

一、宇宙加速膨脹的觀測和暗能量宇宙模型

（一）暗能量的定義

理論物理學(xué)家研究宇宙依靠簡單的模型，首先是宇宙的年齡，之后是原子的密度，物質(zhì)的密度，初始波動的振幅。雖然這個模型很簡單，但是卻有些奇怪，其實這個模型暗示了我們銀河系中的大部分物質(zhì)都是以暗物質(zhì)的形式存在的，這是一種在實驗室中還沒有檢測到的新型粒子形式，宇宙中的大部分能量都是以暗能量的形式存在的，這是一種很神秘的能量。

（二）暗能量宇宙模型

對大規(guī)模分布的星系和類星體的觀察數(shù)據(jù)表明，宇宙在其最大尺度上幾乎是均勻的。廣義相對論意味著從宇宙大爆炸開始，就一直處于膨脹中。因為宇宙膨脹，光出現(xiàn)了“紅移”的現(xiàn)象，所以來自遙遠(yuǎn)星系的光到達我們的時候顯得更紅。哈勃的觀測發(fā)現(xiàn)了星系紅移和距離之間的線性關(guān)系，這在20世紀(jì)20年代建立了基本宇宙模型模型。

（三）宇宙加速膨脹的觀測

目前最流行的宇宙學(xué)模型假設(shè)宇宙大爆炸后不久，宇宙經(jīng)歷了非常迅速的膨脹期。宇宙微波背景輻射是這種快速膨脹的殘余熱量。這種膨脹也將微小的量子漲落并放大，為我們展示出了一種密度意義上的變化。宇宙膨脹模型預(yù)測這些波動是恒久不變的，波動在所有尺度上的幅度幾乎相同。

我們對微波背景的觀測其實是宇宙大爆炸38萬年后的事情。在這個時期，電子和質(zhì)子結(jié)合形成氫。一旦宇宙變?yōu)橹行?，微波輻射背景光子就可以自由傳播，因此聲波就形成了特征尺度，這個特征尺度，即“重子聲學(xué)尺度”，這是用來測量宇宙空間幾何學(xué)的一把尺子，用這把尺子才能確定初期宇宙的密度和宇宙的形狀。

從空間和地面，太空望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙微波背景中的溫度和極化波動，測試該標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型并確定其基本參數(shù)。值得注意的是，只有六個獨立參數(shù)的模型，也就是上面說到的，即宇宙的年齡、原子的密度、物質(zhì)的密度、密度波動的幅度、它們的尺度依賴性和第一顆恒星形成的時代，提供了詳細(xì)的適合當(dāng)前微波背景測量的統(tǒng)計特性模型。同樣的模型也適用于星系大尺度分布的觀測，哈勃常數(shù)的測量，宇宙的膨脹率，以及超新星的距離測定。重子可觀測物質(zhì)占我們宇宙不到5%;標(biāo)準(zhǔn)模型假定暗物質(zhì)支配著星系的質(zhì)量，而暗能量，即與空間相關(guān)的能量，則構(gòu)成了宇宙的大部分能量密度。

暗能量占宇宙質(zhì)量能量密度的68.3%，暗物質(zhì)占26.8%，普通重子可觀測物質(zhì)占4.9%。還有其他可觀測的次主導(dǎo)結(jié)構(gòu)：三種不同類型的中微子至少占0.1%，宇宙背景輻射占0.01%，黑洞在宇宙中至少占比0.005%，它們可以被粗略劃分到重子物質(zhì)中。

天文觀測和宇宙學(xué)理論表明，宇宙的組成極其復(fù)雜。然而，目前對宇宙組成的觀測只有，暗能量、暗物質(zhì)、原子、還有三種不同類型的中微子和光子，它們都對宇宙的能量密度有顯著貢獻。雖然黑洞不太可能是暗物質(zhì)的候選者，但它們對宇宙質(zhì)量密度的貢獻大約是恒星密度的0.5%。

超新星的觀測為宇宙的加速提供了關(guān)鍵證據(jù)。超新星是近均勻峰值亮度的一種直接觀測結(jié)果。因此，它們可以作為一種信號，用來確定光到其主星系的傳播距離。通過測定距離作為星系紅移的函數(shù)，超新星觀測測量宇宙的膨脹率就可以作為宇宙學(xué)家研究加速的數(shù)據(jù)了。在20世紀(jì)90年代末，觀察超行星的科學(xué)家們報告了宇宙膨脹速度正在加速。

宇宙常數(shù)主導(dǎo)的宇宙是奇怪的生存之地。其實我認(rèn)為重力是一種吸引力。如果你向上扔球，重力會減慢它從地球引力上升的速度。同樣，引力（在沒有宇宙常數(shù)的情況下）也會減慢宇宙的膨脹速度。

為什么宇宙在加速？最大的一種可能性是宇宙學(xué)常數(shù)（或等效的，空間的真空能量）驅(qū)動著宇宙加速度。另一種可能是有不斷演化的標(biāo)量場，它充滿了空間（就像希格斯場或推動宇宙快速早期膨脹的膨脹場）。這兩種可能性都集中在暗能量中。因為暗能量的所有證據(jù)都使用廣義相對論方程來解釋我們對宇宙膨脹和演化的觀測，另結(jié)論是需要一種新的引力理論來解釋這些觀測的?？赡苄园ㄐ拚亓碚摵皖~外維度。

二、暗能量的發(fā)現(xiàn)和影響

（一）暗能量的發(fā)現(xiàn)

暗物質(zhì)的證據(jù)早于我們對微波背景、超新星觀測和大尺度結(jié)構(gòu)測量的觀測。在1933年發(fā)表的一篇有論文中，F(xiàn)ritz Zwicky指出，星系團或者星系中存在大量的附加質(zhì)量。在20世紀(jì)50年代，Kahn和Woltjer認(rèn)為，只有當(dāng)局部星系群包含大量的看不見的物質(zhì)時，它才可能是穩(wěn)定的。到20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家認(rèn)為星團和星系中的質(zhì)量都隨著半徑的增加而增加。之后的論據(jù)表明，星系的穩(wěn)定性需要暗物質(zhì)和暗能量的支持。天文學(xué)家研究了星系外區(qū)域的氣體運動，在數(shù)量不斷增加的星系中發(fā)現(xiàn)了存在暗物質(zhì)暗能量的證據(jù)。到20世紀(jì)80年代，暗物質(zhì)已經(jīng)成為宇宙學(xué)范式中公認(rèn)的一部分。

微波背景和大尺度結(jié)構(gòu)觀測表明，暗物質(zhì)的密度是普通原子的五倍。觀測還表明暗物質(zhì)與光子、電子和質(zhì)子的相互作用非常弱，甚至壓根不會相互作用。如果暗物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，那么在早期宇宙中，它將由離子和電子組成，并在微波天空留下清晰的印記。因此，暗物質(zhì)肯定是非重子的。

天文學(xué)家們利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的大尺寸照相機繪制了星團暗物質(zhì)分布的詳細(xì)地圖。這些觀測揭示了星系團中大量的暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)，與數(shù)值模擬的預(yù)測基本一致。

（二）暗能量的影響

在小得多的尺度上，矮星系是暗物質(zhì)理論的另重要的研究試驗場。這些暗物質(zhì)對矮星系的影響很小，因此矮星系的預(yù)測性質(zhì)對暗物質(zhì)性質(zhì)非常敏感。宇宙學(xué)家認(rèn)為矮星系的觀測特性與數(shù)值模擬的預(yù)測不匹配。盡管一些天體物理學(xué)家認(rèn)為，改進的模型形成的反饋模型可以調(diào)和這一差異，但其他人認(rèn)為暗物質(zhì)的自相互作用需要與觀測的模擬相匹配。

早期的宇宙是非常強大的粒子加速器。在大爆炸早期的高溫和密度下，宇宙背景輻射產(chǎn)生了大量的粒子。宇宙微波背景實驗已經(jīng)探測到了在宇宙早期第一時刻產(chǎn)生的大量中微子的觀測信號。這個時期也可能創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

超對稱性是我們目前對粒子物理學(xué)理解的最廣泛的延伸，它為暗物質(zhì)提供了潛在的候選者。粒子可以分為兩類：費米子和玻色子。費米子遵循不相容原理：在每種狀態(tài)下只能找到粒子。在同一量子態(tài)中可以發(fā)現(xiàn)多個玻色子。電子是費米子，而光子是玻色子。超對稱性將是自然界的一種新的對稱性，它將每個玻色子與費米子搭檔相連，反之亦然。

最輕的超對稱粒子LSP是穩(wěn)定的。這些粒子將在大爆炸后的瞬間大量產(chǎn)生。對于超對稱模型中的某些參數(shù)，LSP的密度可以解釋觀測到的暗物質(zhì)密度。弱相互作用的大質(zhì)量粒子wimp，通過與質(zhì)量相當(dāng)?shù)南８袼沽Ｗ咏粨Q粒子而相互作用的粒子，具有暗物質(zhì)所需的性質(zhì)。

三、暗能量中的暗物質(zhì)種類探測

如果wimp是暗物質(zhì)，那么就可以通過幾種不同的路徑被探測到，也就是說暗物質(zhì)可以在加速器中產(chǎn)生。這個可能性讓宇宙學(xué)家和其他領(lǐng)域科學(xué)家有了積極的尋找暗物質(zhì)的計劃。到時候的搜索一定會有許多激動人心的時刻。目前有許多有趣的信號可能是第一次探測到暗物質(zhì)：

（一）Gran-Sasso暗物質(zhì)DAM實驗在其探測器中觀察到事件率的年度調(diào)制，僅采用理論預(yù)測形式。對這一結(jié)果的解釋是有爭議的，因為其他實驗未能探測到暗物質(zhì)，并且似乎與這一探測聲稱相矛盾。

（二）有很多人聲稱來自銀河系中心的過量伽馬射線信號在一系列潛在的暗物質(zhì)質(zhì)量范圍內(nèi)。由于銀河系中心的暗物質(zhì)密度很高，它可能是暗物質(zhì)自我湮滅產(chǎn)生的高能光子源。不過銀河系中心也包含大量的天體物理源，它們發(fā)射高能光子。對外部星系的搜索也表明暗物質(zhì)的存在，但質(zhì)量卻不同。這一主張也是有爭議的。宇宙學(xué)家希望對附近矮星的觀測能夠提供不那么模棱兩可的信號。

（三）我們星系中的暗物質(zhì)湮滅可能產(chǎn)生正電子。宇宙射線的觀測實驗一直在尋找這些信號。這些實驗面臨的挑戰(zhàn)是將這一信號與宇宙射線的天體物理源（如脈沖星）分離，并從二次碰撞中產(chǎn)生。

四、暗能量宇宙與黑洞的關(guān)系

至于黑洞，一般認(rèn)為有幾種形成機制：宇宙大爆炸時形成的太初黑洞，大恒星死亡形成的黑洞和星系中間的大黑洞。

美國科學(xué)家稱黑洞其實是暗能量星，認(rèn)為既然有暗能量，那么恒星塌縮時，可能有足夠強的暗能量使得它不是黑洞而是形成暗能量星。它們的具體關(guān)系還需科學(xué)家們繼續(xù)不斷地去研究與探索。

未來的觀測可以確定宇宙加速的來源和暗能量的性質(zhì)。我們的觀察可以測量兩種不同的影響，距離和紅移之間的關(guān)系和宇宙間不同結(jié)構(gòu)的生長速度。如果廣義相對論在宇宙學(xué)尺度上是有效的，那么這兩個測量值應(yīng)該是一致的。這些測量也將決定暗能量的基本性質(zhì)。

雖然廣義相對論現(xiàn)在已經(jīng)有百年的歷史了，但它仍然是宇宙學(xué)中強大而有爭議的概念。這是我們當(dāng)前宇宙學(xué)模型背后的基本假設(shè)：模型在匹配觀測方面非常成功，但同時暗示了暗物質(zhì)和暗能量的存在。這意味著我們對物理的理解是不完整的。我們可能需要像廣義相對論那樣深奧的新概念來解釋這些奧秘，需要更強大的觀察和實驗來照亮通往我們新見解的道路，去發(fā)現(xiàn)和探索暗能量宇宙與暗能量天體物理性質(zhì)的關(guān)系，促進科學(xué)的研究與進步。

注釋

[1]重子聲學(xué)尺度：微波輻射背景光子自由傳播，因此聲波就形成了特征尺度。

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（作者單位：天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院）