陽泓微

【摘 ?要】本文對(duì)暗能量宇宙與暗能量天體的物理性質(zhì)進(jìn)行了一些研究。主要介紹了宇宙加速膨脹的觀測(cè)和暗能量宇宙模型，以及暗能量產(chǎn)生的相對(duì)影響，并對(duì)相應(yīng)的暗物質(zhì)的一些探測(cè)。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(cè)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(dòng)的振幅。雖然這個(gè)模型很簡單，但是卻有些奇怪，其實(shí)這個(gè)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(shí)驗(yàn)室中還沒有檢測(cè)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(duì)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(duì)論意味著從宇宙大爆炸開始，就一直處于膨脹中。因?yàn)橛钪媾蛎?，光出現(xiàn)了“紅移”的現(xiàn)象，所以來自遙遠(yuǎn)星系的光到達(dá)我們的時(shí)候顯得更紅。哈勃的觀測(cè)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(cè)

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(cè)這些波動(dòng)是恒久不變的，波動(dòng)在所有尺度上的幅度幾乎相同。

我們對(duì)微波背景的觀測(cè)其實(shí)是宇宙大爆炸38萬年后的事情。在這個(gè)時(shí)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(gè)特征尺度，即“重子聲學(xué)尺度”，這是用來測(cè)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(cè)宇宙微波背景中的溫度和極化波動(dòng)，測(cè)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(gè)獨(dú)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(dòng)的幅度、它們的尺度依賴性和第一顆恒星形成的時(shí)代，提供了詳細(xì)的適合當(dāng)前微波背景測(cè)量的統(tǒng)計(jì)特性模型。同樣的模型也適用于星系大尺度分布的觀測(cè)，哈勃常數(shù)的測(cè)量，宇宙的膨脹率，以及超新星的距離測(cè)定。重子可觀測(cè)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(cè)物質(zhì)占4.9%。還有其他可觀測(cè)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(cè)和宇宙學(xué)理論表明，宇宙的組成極其復(fù)雜。然而，目前對(duì)宇宙組成的觀測(cè)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(duì)宇宙的能量密度有顯著貢獻(xiàn)。雖然黑洞不太可能是暗物質(zhì)的候選者，但它們對(duì)宇宙質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)大約是恒星密度的0.5%。

超新星的觀測(cè)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(cè)結(jié)果。因此，它們可以作為一種信號(hào)，用來確定光到其主星系的傳播距離。通過測(cè)定距離作為星系紅移的函數(shù)，超新星觀測(cè)測(cè)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(bào)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(shí)我認(rèn)為重力是一種吸引力。如果你向上扔球，重力會(huì)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(huì)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(dòng)著宇宙加速度。另一種可能是有不斷演化的標(biāo)量場(chǎng)，它充滿了空間（就像希格斯場(chǎng)或推動(dòng)宇宙快速早期膨脹的膨脹場(chǎng)）。這兩種可能性都集中在暗能量中。因?yàn)榘的芰康乃凶C據(jù)都使用廣義相對(duì)論方程來解釋我們對(duì)宇宙膨脹和演化的觀測(cè)，另結(jié)論是需要一種新的引力理論來解釋這些觀測(cè)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(duì)微波背景、超新星觀測(cè)和大尺度結(jié)構(gòu)測(cè)量的觀測(cè)。在1933年發(fā)表的一篇有論文中，F(xiàn)ritz Zwicky指出，星系團(tuán)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(shí)，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(tuán)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(yùn)動(dòng)，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(cè)表明，暗物質(zhì)的密度是普通原子的五倍。觀測(cè)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(huì)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(jī)繪制了星團(tuán)暗物質(zhì)分布的詳細(xì)地圖。這些觀測(cè)揭示了星系團(tuán)中大量的暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)，與數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)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(yàn)場(chǎng)。這些暗物質(zhì)對(duì)矮星系的影響很小，因此矮星系的預(yù)測(cè)性質(zhì)對(duì)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(cè)特性與數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)不匹配。盡管一些天體物理學(xué)家認(rèn)為，改進(jìn)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(cè)的模擬相匹配。

早期的宇宙是非常強(qiáng)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)探測(cè)到了在宇宙早期第一時(shí)刻產(chǎn)生的大量中微子的觀測(cè)信號(hào)。這個(gè)時(shí)期也可能創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

超對(duì)稱性是我們目前對(duì)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(fèi)米子和玻色子。費(fèi)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(gè)玻色子。電子是費(fèi)米子，而光子是玻色子。超對(duì)稱性將是自然界的一種新的對(duì)稱性，它將每個(gè)玻色子與費(fèi)米子搭檔相連，反之亦然。

最輕的超對(duì)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(duì)于超對(duì)稱模型中的某些參數(shù)，LSP的密度可以解釋觀測(cè)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(cè)

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(cè)到，也就是說暗物質(zhì)可以在加速器中產(chǎn)生。這個(gè)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(jì)劃。到時(shí)候的搜索一定會(huì)有許多激動(dòng)人心的時(shí)刻。目前有許多有趣的信號(hào)可能是第一次探測(cè)到暗物質(zhì)：

（一）Gran-Sasso暗物質(zhì)DAM實(shí)驗(yàn)在其探測(cè)器中觀察到事件率的年度調(diào)制，僅采用理論預(yù)測(cè)形式。對(duì)這一結(jié)果的解釋是有爭議的，因?yàn)槠渌麑?shí)驗(yàn)未能探測(cè)到暗物質(zhì)，并且似乎與這一探測(cè)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(hào)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(duì)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(duì)附近矮星的觀測(cè)能夠提供不那么模棱兩可的信號(hào)。

（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(cè)實(shí)驗(yàn)一直在尋找這些信號(hào)。這些實(shí)驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)是將這一信號(hào)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(jī)制：宇宙大爆炸時(shí)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(shí)是暗能量星，認(rèn)為既然有暗能量，那么恒星塌縮時(shí)，可能有足夠強(qiáng)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(cè)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(cè)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(duì)論在宇宙學(xué)尺度上是有效的，那么這兩個(gè)測(cè)量值應(yīng)該是一致的。這些測(cè)量也將決定暗能量的基本性質(zhì)。

雖然廣義相對(duì)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(qiáng)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(cè)方面非常成功，但同時(shí)暗示了暗物質(zhì)和暗能量的存在。這意味著我們對(duì)物理的理解是不完整的。我們可能需要像廣義相對(duì)論那樣深?yuàn)W的新概念來解釋這些奧秘，需要更強(qiáng)大的觀察和實(shí)驗(yàn)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(jìn)科學(xué)的研究與進(jìn)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）