暗能量

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今期與早期的宇宙質能分布餅圖

物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種[1]。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙68.3%的質能。[2][3][4][5]

暗能量現有兩種模型:宇宙學常數(即一種均勻充滿空間的常能量密度)和純量場(即一個能量密度隨時空變化的動力學場,如第五元素和模空間)。對宇宙有恆定影響的純量場常被包含在宇宙常數中。宇宙常數在物理上等價於真空能量。在空間上變化的純量場很難從宇宙常數中分離出來,因為變化太緩慢了。

暗能量這個名詞是由麥可·特納引進的。

暗能量的相關解釋[編輯]

雖然暗能量存在的證據都來自於間接推測,但有三個主要證據支持:

  • 根據遙遠星系距離與紅移量的觀測,顯示宇宙在它演化過程的後半段經歷了加速膨脹。
  • 實際觀測的宇宙是平坦的,這顯示宇宙的物質密度應該近似等於大爆炸理論中的臨界密度。但是暗物質和通常物質的觀測總量加起來都遠遠不夠,需要有額外的物質貢獻質量。
  • 宇宙大尺度質量密度的傅立葉譜支持暗能量存在的假設。

目前通常假設,暗能量在宇宙中各向同性,密度非常小,且不與通常物質發生任何除引力之外的已知的相互作用(即電磁,強,弱相互作用)。暗能量的密度又非常之小,大概10−29 g/cm3,因此地球上的實驗室應當很難直接發現它。但是因為暗能量應該充滿了所有的宇宙空間,因此它占宇宙質能總量的68%,這顯著地影響了宇宙整體的演化。目前的兩類暗物質理論——宇宙常數理論和基本純量場理論,都包含了暗能量的兩種重要性質——均勻和負壓。

關於暗能量的「負壓」[編輯]

根據廣義相對論,造成引力效應的時空彎曲不僅僅受物質的質量影響,也受到物質不同部分之間的應力的影響。其中,壓強是物質的應力的一種形式。物質的質量密度、動量密度和物質的應力張量共同組成了物質的能動張量,共同決定了時空曲率。因此,從由廣義相對論推導出的弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規解中,能看出足夠強的負壓對宇宙演化的影響:當 時,如果宇宙已經在膨脹,負壓將使宇宙加速膨脹,而如果宇宙已經收縮,它又將使宇宙停止收縮重新膨脹。

該加速效應有時被稱作「引力排斥」,但負壓並不會造成個別物質之間的排斥作用,它們仍然是相互吸引的。但是,負壓充斥宇宙,卻會造成類似宇宙背景時空整體被吹漲的效應,結果是宇宙加速膨脹了。

暗能量存在的具體觀測證據[編輯]

超新星[編輯]

1998年,高紅移超新星搜索隊觀測組發表了Ia型超新星的觀測數據,顯示宇宙在加速膨脹。隨之,1999年,超新星宇宙學計畫證實了該結果。該項工作於2011年獲得諾貝爾獎。

Ia型超新星可被視為測量大尺度長度的標準量天尺。這種超新星爆發時的絕對星等都一樣,只要觀測到他們的視星等,就可以測出它們到地球的距離。而紅移量又能體現退行速度。因此可以將距地球不同距離的Ia型超新星的紅移量與宇宙學方程的預言值進行比較。取定合適的參數,ΛCDM模型模型比較符合觀測。

宇宙微波背景輻射[編輯]

無論是何種形式的暗能量,它都對宇宙空間大尺度曲率有貢獻。對宇宙微波背景輻射的觀測,可以測量出宇宙目前的曲率,以及宇宙中暗物質和通常物質的含量。目前的觀測結果是,我們的宇宙接近平坦,因此宇宙的總物質量應該接近等於臨界密度。但微波背景輻射測出的宇宙暗物質和通常物質的含量僅有該值的30%左右,則剩下的為暗能量。

威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛星耗時七年,給出的數據是宇宙物質的72.8%是暗能量,22.7%是暗物質,4.5%是通常物質。2013年,普朗克衛星給出的數據是,68.3%的暗能量、26.8%的暗物質、及4.9%的通常物質[2][3][4][5]

大尺度結構[編輯]

在早期宇宙「光子退耦」發生前,所有物質,包括光子,電子,重子等,都組成了一鍋均勻的「電漿體湯」。在其中,所有的粒子自由程都極短,走一點路程就會被其他粒子散射,所以這種電漿體內部的相互作用極強。當然,這種電漿體也不是完全均勻的,上面會有微小的密度漲落。由於暗物質退耦更早,因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物質,這些部分吸引周圍的物質向其靠近。由於這種早期的電漿體內部相互作用非常強,因此在被吸往密度較大的核心的過程中,會聚集而造成局部壓力過大,因此會向周圍輻射一種「重子聲波震盪」,就如同在水中丟一顆石子,外圍產生一圈波紋一樣。由於暗物質早就退耦了,除了引力之外它不與電漿體相互作用,因此暗物質留在中心,而電漿體則形成了被暗物質吸引的部分的一個核心,以及周圍包裹的壓力較大部分的一個殼狀密度較大區域,那是「重子聲波震盪」的波前。這個殼狀區域可以以光速的一半向外擴張。

之後,隨著宇宙膨脹,電漿溫度下降,光子退耦出去,形成了今天宇宙微波背景輻射的源頭,而組成殼狀區域的重子和電子物質結合生成原子核。由於失去了光子作為相互作用的傳遞媒介,重子之間的相互作用開始以引力為主,「殼狀區域」不再受波的傳播定律的制約,因而擴散停止,被固定住。由於早期宇宙溫度幾乎是均勻的,而溫度下降到某個值時,光子會突然「同時退耦」,因此所有的「殼狀區域」都會同時固定,繼而只受引力相互作用,只隨宇宙膨脹,而不繼續向外傳播,並且互相干涉,形成宇宙中今天看到的各種複雜結構。這些殼狀區域繼續不停地吸引落入的物質,形成各種星系,因此我們能在宇宙中觀測到各種大小几乎一致的空洞(~150兆秒差距),空洞的周圍是一群星系組成的殼。這種空洞也可以作為宇宙的「量天尺」。

2011年,WiggleZ計劃調查了銀河系附近200,000個星系,利用這些空洞作為標準量天尺校正周圍星系與地球的距離,再測量這些星系的紅移量,類似前述的超新星測量法,也得出了宇宙在大約70億年前開始加速膨脹的結論。同時,它給出了目前宇宙的漲落大約為1/10。

薩克斯-瓦福效應[編輯]

我們目前觀測到的宇宙微波背景輻射的光子,在到達探測器之前,走過了很長一段距離。在這段距離上,光子必然受到其附近天體的引力場影響,被紅移或藍移。由於宇宙的物質並不可能完全均勻分布,因此光子經過的路程上將布滿很多引力勢阱或勢壘,這將造成不同方向的背景輻射光子溫度產生差異。當然,由於原始宇宙的量子漲落,微波背景輻射的光子本來就存在由此而來的各向異性,這貢獻了微波背景輻射各向異性的大部。薩克斯-瓦福效應在此基礎上,進一步疊加了一部分各向異性。

宇宙如果加速膨脹,將改變光子運行路上的引力勢阱或勢壘的構造,因此在光子通過勢阱或勢壘的過程中,這種變化的信息就體現在光子中。因此微波背景輻射的各項異性,將有助於我們了解宇宙各個方向的情況。2008年,Ho et al.[6] 以及Giannantonio et al.[7]兩個小組分別報導了他們的分析結論,顯示宇宙在加速膨脹。

關於對暗能量進行理論解釋的嘗試[編輯]

宇宙常數[編輯]

愛因斯坦引力場方程並沒有禁止一個宇宙常數項。愛因斯坦本人曾引入這一項,使得宇宙存在一個靜態解。雖然愛因斯坦本人宣稱這是他一生中最嚴重的錯誤,但是現在宇宙的加速膨脹效應似乎表明,引力場方程中應該有這麼一項,雖然它很小。

當然,這一項可以直接「手放」進引力場方程中,但是大家更希望給它一個解釋。宇宙學常數項等效於一種物質,它處處存在,且具有負壓強。描述粒子物理的量子場論預言了真空「不空」,它裡面充斥了各種虛粒子漲落,因此真空本身當然具有能量,稱為「真空能」,這種量子效應導致的真空能即等效於一個宇宙學常數。不幸地是,多數粒子物理理論預言的真空能數值過大,通常比測出的暗能量密度(10−29 g/cm3)多出120個數量級,因此這也是粒子物理學理論中一個很深刻的問題。

某些粒子物理學理論,比如超對稱理論,其中各項真空能項可以被抵消。但這樣又帶來一個問題,為何真實宇宙中的真空能又沒有被精確抵消,而殘留了這麼一點點呢?當然,超對稱必須破缺,因此真空能不可能嚴格為0。但另一方面,目前超對稱理論無法被實驗證明是否是正確的,就算它在短期內被加速器實驗證實,它仍然還不是一個有效理論,因為超對稱破缺的具體機制並不清楚,而這也會強烈影響真空能的大小。能否給出正確的暗能量數值,也將是檢驗超對稱理論的一個重要標準。

純量場理論[編輯]

我們也可以在理論中直接引入一種純量場(可以被稱作「第五元素」),用以驅動宇宙進行加速膨脹。與前述的宇宙常數理論不同,純量場理論允許暗能量有一定的不均勻。為了避免不均勻的程度太大,這種純量場的質量(也就是它拉氏量中的二次項係數)必須很輕,這樣才能產生一個大的康普頓波長。

但是,如果認為任何場論都必須被量子化,這種純量場理論也必須被量子化。但是純量量子場論的質量並不是穩定的,也就是說,輻射修正不能保證純量場在重整化後的質量項仍然很小,這樣,理論面臨困難。

某些純量場理論能回答,「為何宇宙加速膨脹恰好能被我們觀測到?」這個問題。如果宇宙加速膨脹得稍微早一點,那麼在銀河系形成之前,物質就已經由於宇宙的加速膨脹而互相分離,不能再凝聚成任何星系系統,也就不能產生人類了。這些純量場理論具有一種稱為「tracker」的性質,「tracker」的意思類似追蹤,追蹤的對象是宇宙中的輻射。在宇宙早期輻射為主時期,這種純量場並不表現任何效應,也就是跟著「追蹤著輻射走」,當輻射逐漸被宇宙膨脹稀釋,密度降到物質密度以下,就觸發了這種純量場開始產生效應,推動宇宙逐漸加速膨脹。

對於宇宙加速膨脹歷史的考察,可以了解暗能量的狀態方程,進而定出它壓強和密度的關係。在自然單位制下,宇宙常數理論語言壓強的數值嚴格等於密度(w=-1)。2004年,一項研究似乎觀測到了一點偏離。

一些純量場理論被稱作「phantom energy」,它們預言暗能量密度將隨時間的流逝而不斷增加,甚至能最終導致「大撕裂」。另一些理論則非常大膽地將純量場的動能項寫成負的。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Expanding wave solutions of the Einstein equations that induce an anomalous acceleration into the Standard Model of Cosmology—PNAS "an explanation not requiring the cosmological constant or dark energy"
  2. ^ 2.0 2.1 Ade, P. A. R.; Aghanim, N.; Armitage-Caplan, C.; et al. (Planck Collaboration). Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results – Table 9. (PDF). Astronomy and Astrophysics (submitted). 22 March 2013. arXiv:1303.5062. Bibcode:2013arXiv1303.5062P. 
  3. ^ 3.0 3.1 Ade, P. A. R.; Aghanim, N.; Armitage-Caplan, C.; et al. (Planck Collaboration). Planck 2013 Results Papers. Astronomy and Astrophysics (submitted). 31 March 2013. arXiv:1303.5062. Bibcode:2013arXiv1303.5062P. 
  4. ^ 4.0 4.1 First Planck results: the Universe is still weird and interesting. 
  5. ^ 5.0 5.1 Sean Carroll, Ph.D., Cal Tech, 2007, The Teaching Company, Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 page 46, Accessed Oct. 7, 2013, "...dark energy: A smooth, persistent component of invisible energy, thought to make up about 70 percent of the current energy density of the universe. Dark energy is known to be smooth because it doesn't accumulate preferentially in galaxies and clusters..."
  6. ^ Shirley Ho; Hirata; Nikhil Padmanabhan; Uros Seljak; Neta Bahcall. Correlation of CMB with large-scale structure: I. ISW Tomography and Cosmological Implications. Phys. Rev. D. 2008, 78 (4). arXiv:0801.0642. Bibcode:2008PhRvD..78d3519H. doi:10.1103/PhysRevD.78.043519. 
  7. ^ Tommaso Giannantonio; Ryan Scranton; Crittenden; Nichol; Boughn; Myers; Richards. Combined analysis of the integrated Sachs-Wolfe effect and cosmological implications. Phys. Rev. D. 2008, 77 (12). arXiv:0801.4380. Bibcode:2008PhRvD..77l3520G. doi:10.1103/PhysRevD.77.123520. 

外部連結[編輯]