天體物理學家提出無需暗能量的宇宙新模型

作者：Ramin Skibba

發表於2017年4月6日

來源：AIP InsideScience

(編譯|大喬)一個科學家團隊構造出能描述加速膨脹宇宙的新模型，該模型無需神秘的暗能量。

圖註：這幅圖是1996年哈勃望遠鏡所拍攝的「哈勃深空場」（Hubbe Deep Field）的一部分。Image credits:NASA/JPL/STScI Hubble Deep Field Team (Homepage teaser image: NASA)

目前，暗能量仍然是假設的、尚未完全證實的一種存在。自從上世紀90年代以來，這種推動宇宙膨脹的神秘力量就一直困擾著科學家。由於其效應極其微弱，暗能量甚至比暗物質更難探測。科學家提出了一些能解釋宇宙加速膨脹的新模型，而完全無需暗能量的概念。

在最新的一項研究中，科學家拋出了這個問題：自從138億年前宇宙大爆炸後，星系的形成和演化是否也影響宇宙本身的膨脹？通過特定的手段，他們對宇宙進行模擬後發現，情況確實是這樣，甚至還可能重現歐空局「普朗克」探測器的最新測量結果。

夏威夷大學的天文學家伊什特萬·扎普迪（István Szapudi）說：「嘗試去解決這個科學上最大的觀測難題令人振奮。暗能量不像暗物質，後者已擁有了一些成型的有意義的理論，而暗能量是物理學中的『最大錯誤』（這是借用了愛因斯坦當年的說辭）」。他是這項研究的領頭作者之一，該研究成果將要發表在《皇家天文學會月報》上。

依據宇宙起源的標準模型，暗能量占宇宙總能量密度的68%。相比之下，組成行星、恆星以及星際氣體和塵埃的常規物質只佔5%，其餘27%是暗物質。如果這項新研究得以證實，將推翻這個結論。

物理學家曾提出過多種暗能量的候選者，甚至還想通過修改引力定律去符合觀測。當年，愛因斯坦在他的廣義相對論中添加了一個用於平衡引力的宇宙學常數。隨後他又放棄了這個概念，並聲稱這是自己所犯的最大錯誤。但近一個世紀之後，宇宙學家又開始擁抱這個宇宙學常數。該種理論認為，隨著宇宙膨脹，「真空能」不斷增加，而「真空能」的增加又去推動宇宙膨脹。但這個理論預言的真空能量密度遠遠大於實際觀測所得到的暗能量密度，實際觀測的暗能量密度（焦耳每立方米）小於蚊子飛行動能的1%。

為了避開這個難題，扎普迪及其同事提出了這個無需暗能量參與的膨脹宇宙模型。他們把模擬的宇宙分成許多個區域，然後再去測量物質的密度（每個區域中的物質其實大部分是暗物質）。他們在對每一個迷你宇宙中的物質密度進行測量之後發現了膨脹現象，尤其是在沒有物質的區域。他們認為，當引力把星系聚集在一些區域時，其它沒有物質的區域開始膨脹，這些區域帶動了全局的加速膨脹，這種效應稱為「回反作用」（back-reaction）。因此，當你測量平均膨脹速率的時候，你就會用諸如暗能量等來解釋最新的天文學觀測。

夏威夷大學的尼克·凱瑟（Nick Kaiser）說：「如果正確，該結果非常漂亮」。他認為，這個「回反作用」理論仍需要更加堅實的數學基礎，因為扎普迪的這項研究僅僅模擬了宇宙的近似演化過程。

芝加哥大學的宇宙學家洛奇·科爾布（Rocky Kolb）說：「雖然這肯定不是最終的答案，但我們應該認真對待這個理論模型」。他還指出，當前利用宇宙微波背景輻射測量的宇宙膨脹速率與通過超新星爆炸測量的膨脹速率存在差異。扎普迪的團隊走在了正確化解該矛盾的道路上。

扎普迪及其他理論學家將開發出更加複雜的模擬手段，與此同時，其他人將致力於更加精細的觀測。未來十年，歐空局的「歐幾里得」望遠鏡以及位於智利的大型綜合巡天望遠鏡（LSST）將要對數百萬個星系的距離和運動進行測量。天文學家希望能夠得到更加精確的宇宙膨脹速率，以便區分暗能量模型和其它模型。

赫爾辛基大學的理論物理學家Syksy R?s?nen說：「顯然，物質分布（例如星系團）對宇宙膨脹速率是有一定影響，但不知道這種影響到底有多大。在我們完全排除這種「回反作用」解釋宇宙膨脹之前，還不能說暗能量或修正的引力理論是必須的」。

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）-- 張錚錚供稿

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