家人们,今天咱们来聊聊宇宙学里一个超级劲爆的事儿 —— 暗能量可能根本不存在!这消息一出来,感觉整个宇宙学的大厦都晃了三晃,这到底是咋回事呢?别急,听我慢慢唠。
咱们都知道,宇宙学里有个标准宇宙模型,这模型可牛了,它告诉我们宇宙是由 68.3% 的暗能量、26.8% 的暗物质以及 4.9% 的普通物质组成的。这些比例可是科学家们根据对宇宙微波背景辐射,也就是大爆炸辐射的 “余晖”,进行精确测量得出来的。而且这个模型在解释宇宙大尺度和小尺度上的数据时,那表现相当出色,像星系的分布啊,宇宙诞生后最初几分钟内产生的氦和氘的数量啊,都能解释得通,尤其是完美解释了宇宙微波背景辐射,所以它还得了个 “一致性模型” 的美称呢。
但是呢,这几年宇宙学这门成熟的学科,却被一系列激烈的争论给搅和得不得安宁。为啥呢?因为标准宇宙模型的预测,居然和一些观测结果对不上号了。就拿哈勃常数来说吧,这哈勃常数是描述当前宇宙膨胀率的。之前科学家们借助哈勃望远镜,利用造父变星的周光规律,测得哈勃常数值为 73.5 km/(s・Mpc),啥意思呢?就是一个星系与地球的距离每增加 1 Mpc(百万秒差距,大概是 330 万光年),它远离地球的速度就增加 73.5 公里每秒。可理论预测的哈勃常数是 67.4 km/(s・Mpc),两者就差了那么 8%,看起来不多,但在科学里,这可就有统计意义了。
大概十年前,这哈勃张力就被大家知道了。那时候,大家还想着,说不定是观测结果有偏差呢。你想啊,造父变星虽然亮,好观测,可它周围恒星多啊,这就可能让它看起来比实际更亮,这样就人为地造成了这个 “张力”,使得哈勃常数比模型预测的高出几个百分点。后来詹姆斯韦布空间望远镜(JWST)出现了,大家都盼着它能把恒星单独拎出来观测,解决这个偏差问题,可到现在,这事儿也没成。
除了造父变星,天文学家还找了另外两种恒星来帮忙,红巨星分支尖端(TRGB)和 J 区渐近巨星分支(JAGB)。有团队说,从 JAGB 恒星和 TRGB 恒星得到的数值,和宇宙学模型预期值很接近。可另一拨人却表示,他们观测的结果还是不一致。而且呢,造父变星那边的测量结果,也还是在体现哈勃张力。这就奇怪了,虽说这些测量都很精确,但每种测量都有自己特有的影响因素,观测的准确性也受到不同形式的影响,就好像你和一个人聊天,他说的话都很有道理,可就是抓不住重点,这些测量数据就是这样,精度高却不准确。
这还不算完,还有个 “S8 张力” 也让人头疼。这 S8 是衡量暗物质聚集度的。根据标准模型预测,宇宙中物质应该比我们实际观察到的更 “聚集”,差不多高出 10%。测量物质聚集性的方法有好几种,比如分析星系光线的扭曲程度,这是因为暗物质的作用。现在学界的共识是,在否定宇宙学模型之前,得先解决观测中的不确定性问题。观测结果和模型预测不一样,有可能是我们对星系中气体风了解得不够。这气体风会把一些物质吹出星系,影响物质的分布状态,也就是聚集程度。要是能搞清楚小尺度上团块测量值和大尺度上团块测量值之间的关系,那对研究者可太有帮助了。而且观测结果好像也在暗示,我们得改变暗物质的建模方式。比如说,如果暗物质不完全是由冷的、缓慢移动的粒子组成(标准模型是这么假设的),而是混合了一些热的、快速移动的粒子,这样说不定就能减缓宇宙团块聚集的速度,缓解 S8 张力。
这时候,韦布空间望远镜又指出了标准模型更多的挑战。其中一个就是早期星系的质量,好像比预期的大得多。一些在大爆炸后不到 10 亿年间形成的早期星系,按道理应该比较轻巧,可实际上,它们的质量可能和现在的银河系差不多。要解决这个问题,关键得改进测量星系中恒星质量的方法。我们现在没办法直接测量星系质量,只能通过分析星系发出的光来推测,这过程中就做了一些简化假设,这就可能导致对质量的估计过高。还有研究者觉得,这些星系发出的部分光,可能来自黑洞,而不是恒星。
面对这么多问题,大家就开始琢磨,是不是得对暗能量的性质假设做些改变呢?也许它不是一成不变的,而是一个随时间变化的参数,最近的测量结果也有点这个意思。或者,往模型里多加点暗能量,让宇宙在早期和晚期膨胀得更厉害些。另外,修改引力在宇宙大尺度上的行为方式,也是一种选择。不过到目前为止,这些替代理论,都没办法像标准模型那样,解释那么多观测结果。更糟糕的是,有些理论在解决一个冲突的时候,又把另一个矛盾给激化了。
在 2020 年第一周,韩国延世大学领导的研究团队,更是给暗能量理论来了个大冲击。暗能量存在的直接证据,主要依赖对一类特殊超新星的观测研究。这里说的就是 Ia 型超新星。这类超新星的形成很有意思,它得是白矮星和巨星组成的双星系统,白矮星不断吸收巨星里的氢,等质量达到 1.44 个太阳质量时,就会内部引发热核聚变,然后瞬间爆炸,那光芒能照亮整个宇宙。而且所有 Ia 型超新星质量一样,这就使得它们爆发时的峰值亮度一致,所以就成了天文学家测定距离的 “标准烛光”。
我们知道宇宙在膨胀,天体都在远离我们,这就产生了红移现象,类似于多普勒效应,天体离我们越远,光线波长被拉长,就向红光偏移。Ia 型超新星的视亮度对应着距离,红移代表着远离我们的速度,通过获取不同距离处 Ia 型超新星的亮度、红移数据,就能绘制出宇宙的膨胀地图。之前大家都认为,因为引力,宇宙膨胀速度应该在放缓,可佩尔穆特团队通过观测却发现,宇宙边缘正在加速离我们而去,几乎同时,布莱恩・施密特和亚当・里斯领导的团队也得出了相同结论。这就说明,有某种未知力量在推动宇宙加速膨胀,于是,天文学家就给它起了个名字,叫暗能量,现在这都成主流科学界的共识了,这三位物理学家还因此获得了 2011 年的诺贝尔物理学奖呢。
可韩国这个研究团队却发现,之前大家认为 Ia 型超新星亮度和距离严格对应的关系,可能忽略了一些因素。他们用智利的 2.5 米口径拉斯坎帕纳斯天文望远镜,还有美国亚利桑那州的 6.5 米口径多镜面望远镜,对约 60 个星系进行了长达 9 年的高质量光谱观测,观测信噪比达到 175:1,数据量特别大。结果发现,这些超新星的绝对亮度和恒星群年龄有关,年轻的超新星亮度较低,置信度达到 99.5%。这要是被证实,那可不得了。首先,如果还用 Ia 型超新星当 “标准烛光”,就得根据恒星群年龄校正观测结果。更重要的是,之前根据 Ia 型超新星得出的宇宙加速膨胀等结论,也得重新审视。也许宇宙还在加速膨胀,但暗能量比例得重新算;再大胆点想,宇宙可能根本没在加速膨胀,暗能量也不存在,之前那些现象,可能只是因为恒星群年龄有差异。研究团队还验证了这种可能性,要是暗能量不存在,通过恒星亮度随年龄的演化,也能模拟出类似的亮度 - 红移曲线。
不过呢,这个结论还得经过更多后续研究的检验。毕竟暗能量除了超新星这方面的证据,还有其他间接证据,像宇宙微波背景辐射就显示,普通物质和暗物质加起来,都填不满宇宙总能量,缺的那部分,就被认为是暗能量。所以啊,关于暗能量到底存不存在,现在还不能下最终定论。
未来几年,韦布空间望远镜、暗能量光谱仪、维拉・鲁宾天文台和欧几里得望远镜等强大的观测工具,说不定能帮我们找到答案。要是更精确的数据和对测量中系统性不确定性有更深入理解,也许就能解决标准模型面临的矛盾,让宇宙学变得既有精度又准确无误。但要是事与愿违,科学家们可就得进入未知领域,寻找全新的物理学了,那可真可能引发宇宙学的重大范式转变。
家人们,宇宙的奥秘可太深了,每一次新发现都可能颠覆我们以往的认知。关于暗能量到底存不存在,你有啥想法呢?快在评论区留言讨论吧!觉得这内容有意思的,别忘了给我点个赞,关注一下,祝你发大财!