是什么加速了宇宙的膨胀?

物理学家认为宇宙中还有额外的成分,这可以解释为什么宇宙膨胀的速度比预期的要快。

宇宙的膨胀比科学家预测的要快得多,这是宇宙学中最难解释的异常现象之一。基于对大爆炸后不久释放的辐射(宇宙微波背景辐射)的测量,物理学家预测了宇宙的膨胀速率,即所谓的哈勃常数。这些辐射揭示了早期宇宙的确切组成。宇宙学家将这些组件插入宇宙演化模型,并将模型向前推进,以观察宇宙今天应该以多快的速度膨胀。

然而,该模型预测的结果并不准确:当观测脉动变星和爆炸的超新星及其他天体时,宇宙学家看到的是一个加速膨胀且哈勃常数更大的宇宙。

这种被称为“哈勃冲突”的现象一直存在,尽管所有的测量方法都变得越来越精确。一些天体物理学家仍在争论这种差异是否只是测量误差。但是可以肯定的是,如果这种差异真的存在,这意味着宇宙学家的宇宙模型中缺少了一些东西。

近年来,理论物理学家一直在推测宇宙的新组成部分。一旦这些成分被添加到标准模型中,宇宙的膨胀速度就可以加速,使其与观测值保持一致。

“发现异常是科学进步的基本途径,”哈佛大学宇宙学家阿维·勒布说。他是试图解决哈勃冲突的几十名研究人员之一。接下来,让我们来看看解释宇宙加速膨胀的一些最重要的理论。

腐烂的暗物质

宇宙学的标准模型包括所有熟悉的物质和辐射形式及其相互作用。它还包括称为暗能量和暗物质的不可见物质,这两者共同构成了宇宙的96%。因为人们对这些黑暗的部分知之甚少,所以在修改标准模型时,它们可能是最容易想到的地方。“这是你可以改变宇宙膨胀速度的部分,”阿维·勒布说。

标准模型假设暗物质由不与光相互作用的慢粒子组成,但是如果我们也假设暗物质不是由单一物质组成呢?我们发现了许多不同种类的可见粒子——夸克、电子等。——所以也可能有许多种黑色粒子。

在2019年发表在《物理评论D》上的一篇论文中,阿维·勒布和他的两个合作者提出了一种暗物质,这种物质可以衰变为一种更轻的粒子和一种无质量的粒子——暗光子。他们得出结论,随着时间的推移,越来越多的暗物质衰变,导致其引力减弱,从而加速宇宙的膨胀。结果,“哈勃冲突”得到了解决。

然而,对标准宇宙学模型如此微小的改变可能会产生不必要的连锁反应。美国约翰·霍普金斯大学的理论物理学家马克·卡米诺科夫斯基说:“提出各种微小的修正很容易,但要做到这一点而不破坏模型和大量其他天文观测之间的完美配合是很困难的。”

通过改变暗物质的衰变速率和每次衰变的数量,勒布和他的同事最终确定了一个暗物质衰变的模型。他们说这个模型仍然与其他天文观测一致。“如果你把这个成分加入到标准的宇宙模型中,所有的东西都会很好地结合在一起,”勒布说。

然而,勒布仍然不满足于暗物质衰变理论,部分原因是该理论在方程中引入了两个新的不确定性。他说:“在这种情况下,你通过增加两个自由参数来解决一个差异。我对此感到不安。”他将衰变的暗物质比作托勒密以地球为中心的宇宙体系中的本轮,“我宁愿用一个参数来解释这两个差异”。

不确定的暗能量

自从1998年发现宇宙加速膨胀以来,宇宙学家已经在宇宙演化模型中加入了暗能量。但是暗能量的本质仍然是一个谜。最简单的可能性是暗能量是“宇宙常数”,也就是空间本身的能量,密度在任何地方都是常数。但是如果宇宙中的暗能量不是恒定的呢?

早期宇宙中一种额外的暗能量,称为早期暗能量,可以调和哈勃常数的矛盾值。早期暗能量的向外压力将加速宇宙的膨胀。“棘手的事情是(早期暗能量)不可能永远存在;它必须迅速消失,”哈佛大学粒子物理学家和宇宙学家丽莎·蓝道尔说。

在提交给《高能物理杂志》的一篇论文中,兰德尔和他的合作者设计了他们称之为“摇滚”的东西,试图解决“哈勃冲突”。标准模型中的每个附加项都有不同的数学形式——在某些情况下,暗能量的密度会振荡,或称“岩石”;在其他情况下,暗能量的密度将从高值下降到零。但是在所有情况下,早期的暗能量必须在几十万年后的“重组”时期消失。“自重组以来,宇宙的历史与标准模型相当一致,”卡米奥·科夫斯基说。在2019年6月的《物理评论快报》中,卡米奥·科夫斯基共同撰写了一篇关于早期暗能量的论文。

除了早期的暗能量,理论物理学家还提出了其他奇怪形式的暗能量——比如“精粹”和“幻影暗能量”——它们也会随着宇宙的年龄而改变。尽管标准模型的这些扩展缓解了“哈勃冲突”,但许多宇宙学家认为这些只是细微的调整,即没有明确理由的适当的数学补充。

然而,卡米奥·科夫斯基指出,与宇宙历史上的其他膨胀时期相比,这种新形式的暗能量似乎没有那么不自然。例如,大多数宇宙学家认为宇宙在宇宙大爆炸开始时的“膨胀”期间呈指数级膨胀,这是由一种形式的暗能量驱动的,但不同于今天存在的暗能量。卡米奥·科夫斯基说,这段由暗能量主导的时期被认为是“在宇宙历史中不时发生的”。

修正重力

在宇宙学的标准模型中,所有已知的物质和辐射形式,加上暗物质和暗能量,都被输入到阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论中,爱因斯坦的方程显示了空间将如何膨胀。这意味着,除了改变或添加宇宙成分到模型中,物理学家还有另一种方法使它与观测到的宇宙膨胀速率相一致。“你可以想象爱因斯坦的等式是不正确的,”勒布说。

2019年夏天,剑桥大学博士生威廉·威廉·巴克在寻找“修正引力”理论时,意外发现了解决“哈勃冲突”的方法。巴克发现了一种改进的重力模型,它“似乎表明早期宇宙中有额外的辐射”;是辐射压力导致宇宙加速膨胀。

然而,在今年3月提交给《物理评论》的一份预印稿中,巴克和三位合著者承认,他们需要更多的分析来确定该模型是否不仅能描述宇宙是如何膨胀的,还能描述星系和星系团等结构是如何演化的。

今天的望远镜以惊人的精度提供了大量关于这些结构的数据,所以设计一个与所有观测相匹配的理论并不容易。卡米奥·科夫斯基说:“许多修正的引力理论都不是完整的理论。当你试图用精确的数据集进行详细的计算时...很难以稳健的方式做到这一点。”

走着瞧吧

“我们都知道它们是暂时的,”兰德尔谈到当前的理论时说。"令人惊讶的是,即使有这些暂时的增加,分歧仍然难以调和."

即使有额外的自由参数,大多数非标准模型只是缓解了“哈勃冲突”,并没有完全解决它。这些模型预测的膨胀速度比标准模型要快,但仍不足以与超新星和其他天体的观测结果相匹配。

在接下来的几年里,欧几里德空间望远镜和其他望远镜将详细描述重力和暗能量如何塑造宇宙的演化。同时,中子星碰撞产生的引力波也将为测量哈勃常数提供一种新方法。新数据将排除一些解决“哈勃冲突”的理论,但新问题也可能出现在标准模型中。目前,如果标准模型运行良好,许多宇宙学家不愿意将其复杂化。兰德尔说:“人们有点想看,除非真的有一个好的理论。”

兰德尔补充说,即使“哈勃冲突”最终只是错误的积累,这种对新物理学的探索也不一定是徒劳的。“有趣的结果有时来自最终消失的事物,”她说。“这迫使你思考:我们知道什么?我们能改变多少?”

标题:是什么加速了宇宙的膨胀?

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