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        尋找暗能量存在的證據(jù)

        2014-02-24 10:58:44Mr.Flower
        求知導(dǎo)刊 2014年1期
        關(guān)鍵詞:超新星星系引力

        Mr.Flower

        天文學(xué)家認(rèn)為,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能嚴(yán)格說(shuō)其是一種斥力,只能稱其為能量。宇宙大爆炸時(shí)發(fā)生膨脹,產(chǎn)生的能量把物質(zhì)往外排斥,暗能量斥力作用的發(fā)現(xiàn),使學(xué)者們認(rèn)識(shí)到,宇宙不光是在膨脹,而且還是在加速膨脹。

        暗能量在宇宙中更像是一種背景,讓人根本感覺(jué)不到它的存在,但它確實(shí)存在,且起著非同一般的作用。有人把暗能量稱為“真空能”。20世紀(jì)20、30年代,就有科學(xué)家認(rèn)為真空不空,只是物理的探測(cè)儀器探測(cè)不到“真空”中并非真的什么都沒(méi)有。

        愛(ài)因斯坦的“宇宙常數(shù)”

        對(duì)暗能量理論上的猜測(cè)可追溯到愛(ài)因斯坦年代,1915年愛(ài)因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)提出了廣義相對(duì)論,這是自牛頓時(shí)代以來(lái)第一次出現(xiàn)的重力理論。1917年,他將廣義相對(duì)論公式應(yīng)用到整個(gè)宇宙,想看看能否獲得對(duì)宇宙本質(zhì)的新認(rèn)識(shí)。世界上的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家隨即開(kāi)始解其中的引力方程,方程有兩種解,結(jié)論是宇宙不會(huì)完全靜止、宇宙沒(méi)有靜止點(diǎn)。

        方程的第一種解是,如果宇宙只存在引力,沒(méi)有別的力作用的話,出于相互吸引,宇宙不可能靜止;方程的另一種解是,宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個(gè)初速度,向外膨脹,但由于引力作用往回拉,宇宙肯定越脹越慢,所以宇宙不是膨脹就是收縮,不可能靜止。

        愛(ài)因斯坦覺(jué)得從哲學(xué)思想上分析,這兩種解都不合適,按他的想法宇宙應(yīng)該是靜止的,不能永不停息地運(yùn)動(dòng)。因此,愛(ài)因斯坦又向廣義相對(duì)論引力方程中引入了一項(xiàng)“宇宙常數(shù)”(Cosmological Constant λ)。這個(gè)宇宙常數(shù)起排斥力的作用,有了該常數(shù)之后,引力方程同時(shí)具備了引力和斥力,正好能夠達(dá)到平衡,可讓宇宙“靜止”下來(lái)。

        20世紀(jì)20年代,美國(guó)著名天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-

        1953)經(jīng)過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),宇宙確實(shí)是在不斷膨脹,他根據(jù)星系的距離和運(yùn)行速度證實(shí),離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系向外運(yùn)動(dòng)的速度越快,這是宇宙正在膨脹的表現(xiàn)。這一觀測(cè)結(jié)果完全與引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計(jì)算結(jié)果相契合,迅速得到了世界上絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)可。愛(ài)因斯坦本來(lái)是想把宇宙“靜止”下來(lái),但實(shí)際的宇宙是在膨脹著。他認(rèn)為:“引入宇宙常數(shù)是我這一生所犯的最大錯(cuò)誤!”

        但愛(ài)因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”并未被科學(xué)家們遺棄,一小部分科學(xué)家此后在將觀測(cè)結(jié)果與理論進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候,常常會(huì)把此常數(shù)捎帶上。如果計(jì)算結(jié)果顯示“宇宙常數(shù)”等于0,就證明該數(shù)確實(shí)不能用;反之,就證明愛(ài)因斯坦引入一個(gè)常數(shù)的思路是對(duì)的。

        觀測(cè)超新星1997ff的重大發(fā)現(xiàn)

        1997年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到一顆超新星,編號(hào)為“1997ff ”。美國(guó)馬里蘭州太空望遠(yuǎn)鏡研究所和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家通過(guò)對(duì)該超新星光線的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行的研究表明,“1997ff ”爆發(fā)于110億年前,是迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的超新星,當(dāng)時(shí)宇宙的年紀(jì)只有現(xiàn)在的四分之一,宇宙的膨脹很可能經(jīng)歷了一個(gè)先減速、后加速的過(guò)程??茖W(xué)家為愛(ài)因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個(gè)直接證據(jù)。

        超新星即爆炸中的恒星,它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測(cè)定超新星的亮度,可以用來(lái)判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體,其發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí),該星體和地球之間的距離由于膨脹減速的原因要比預(yù)計(jì)的近,因而地球上的觀測(cè)者會(huì)發(fā)現(xiàn)其光要比預(yù)計(jì)中更亮。

        經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算和分析,科學(xué)家們確認(rèn)“1997ff”的亮度是預(yù)計(jì)正常亮度的兩倍,比距離更近、更年輕的超新星爆炸發(fā)出的光還要亮。科學(xué)家們據(jù)此判定,這顆超新星爆發(fā)于宇宙的減速膨脹階段。

        科學(xué)家們指出,新發(fā)現(xiàn)和此前的觀測(cè)結(jié)論相結(jié)合,證實(shí)了宇宙膨脹先減速后加速,同時(shí)也證明宇宙中確實(shí)存在“暗能量”。“暗能量”據(jù)認(rèn)為是更接近能量,而非物質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為,與暗物質(zhì)一樣,“暗能量”構(gòu)成了宇宙中不可見(jiàn)的一部分??茖W(xué)家估計(jì)“暗能量”可能占據(jù)了宇宙成分的三分之二,對(duì)它的了解對(duì)于理解時(shí)間、空間、物質(zhì)和能量具有關(guān)鍵作用。

        1998年,天文學(xué)家們?cè)谀蠘O用80

        萬(wàn)立米氣球搭載BOOMERANG(Balloon

        Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics)微波探測(cè)器(氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37千米的高空飛越南極),BOOMERANG在空中控測(cè)了宇宙微波背景(CMB)下擾動(dòng)的大量樣本,其中,CMB是從各個(gè)方向襲擊地球的持續(xù)的電磁聲波。這些遙遠(yuǎn)的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。他們探測(cè)的只是全天中的一小塊,得出的結(jié)論是:“宇宙常數(shù)”不等于0,且在整個(gè)宇宙中所占比例還很大。此后,“宇宙常數(shù)”正式被稱為“暗能量”。

        借助WMAP發(fā)現(xiàn)最有利證據(jù)

        2003年7月23日,美國(guó)匹茲堡大學(xué)斯克蘭頓(Scranton)博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)多國(guó)科學(xué)家小組宣布,他們借助美國(guó)“威爾金森微波各向異性探測(cè)器”(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡(jiǎn)稱WMAP)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(觀測(cè)宇宙微波背景輻射的微小變化),發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的直接證據(jù)。作為“大爆炸”的“余燼”,宇宙微波背景輻射大約在“大爆炸”后38萬(wàn)年產(chǎn)生,其中的光子在宇宙中穿行時(shí)會(huì)經(jīng)歷一系列物理過(guò)程,特別是在經(jīng)過(guò)質(zhì)量較大的星系時(shí),這些光子將遭遇“引力陷阱”。探測(cè)結(jié)果顯示,宇宙年齡約為137億年,宇宙由23%的暗物質(zhì),73%的暗能量,4%的普通物質(zhì)組成。宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的,至今僅知道它們存在著,但還不清楚它們的性質(zhì)。

        斯克蘭頓等人介紹說(shuō),如果星系主要由普通物質(zhì)組成,那么光子在落入“引力陷阱”以及從中逃逸出來(lái)的過(guò)程中,由于“陷阱”深度固定,其能量總體上將不會(huì)變化。但是,如果星系中包含暗能量,情況就會(huì)不同。由于暗能量的排斥力作用,光子在落入“引力陷阱”并逃出來(lái)的過(guò)程中,“陷阱”會(huì)逐漸變淺,能量反而增加。體現(xiàn)在微波背景輻射觀測(cè)圖上,經(jīng)過(guò)這些星系區(qū)域的宇宙微波背景輻射溫度將出現(xiàn)細(xì)微上升。

        斯克蘭頓博士等將WMAP以及另一項(xiàng)名叫“斯隆數(shù)字天宇測(cè)量”(Sloan Digital Sky Survey,簡(jiǎn)稱SDSS。測(cè)定宇宙中星系的位置和彼此間距離)觀測(cè)計(jì)劃的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)一些大質(zhì)量星系區(qū)域的宇宙微波背景輻射溫度確實(shí)出現(xiàn)了微升??茖W(xué)家認(rèn)為,這一結(jié)果只有用暗能量才能予以解釋。(來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)傳播平臺(tái)科普網(wǎng)站,2010-12-16)endprint

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