长达十年的暗能量调查为宇宙膨胀提供了新的见解

顺其自然362

暗能量调查中发现的一颗超新星（左）对比了遥远的类星体（右）（图片来源:DES Collaboration/noir lab/NSF/AURA/m . Zamani）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：暗能量相机对1500多颗超新星进行的调查对宇宙的加速膨胀施加了强大的限制。

研究结果表明，驱动这种宇宙加速的神秘力量——暗能量——可能会随着时间的推移而改变，其密度会发生变化，这使宇宙学的标准模型受到质疑。

作为暗能量调查的一部分，这些结果是由单一仪器采集的最大超新星样本提供的。20世纪90年代末，人们发现宇宙不仅在膨胀，而且还在加速膨胀，超新星对这一发现至关重要。

这对物理学家来说是一个巨大的惊喜，他们曾预计在大爆炸期间宇宙最初的快速膨胀之后。宇宙膨胀本应放缓，但它正在加速。

暗能量被认为是宇宙未知方面导致神秘而令人不安的宇宙加速的占位符，但科学家无法确定它是什么。现在认为暗能量占宇宙总能量和物质的65%到70%，这一事实使问题更加复杂。

智利北部塞罗托洛美洲天文台的Víctor M. Blanco 4米望远镜上安装的暗能量相机进行的暗能量调查表明，对超新星的观测仍然是解开25年前此类调查引发的谜团不可或缺的一部分。

新的暗能量调查结果于2024年1月8日在美国天文学会第243次会议上发布，其背后的团队补充说，它们与宇宙学的标准模型一致，即所谓的“λ冷暗物质”模型（CDM），该模型的特征是宇宙加速膨胀。

在宇宙138亿年的历史中，这给膨胀史带来了最严格的限制，但也给更复杂的宇宙模型留下了喘息的空间。

用标准蜡烛研究暗能量

为了收集这些数据，费米实验室建造的5.7亿像素暗能量相机观察了地球上空758个夜晚，观察了200万个遥远的星系。在这些照片中，这台强大的相机发现了数千颗超新星。

在这些样本中，机器学习能够确定1，499个是一种特殊类型的恒星爆炸，称为Ia型超新星。当被称为白矮星的死亡恒星与另一颗恒星存在于双星系统中时，就会发生这种情况。白矮星长期以来一直消耗氢来驱动核聚变并在其核心转化为氦。

白矮星从它们的伴星或“施主”恒星上拖动物质，随着这些物质在死亡的恒星上堆积，它可以将白矮星推至所谓的钱德拉塞卡极限之外。这是恒星成为超新星所需的质量极限。

这些Ia型超新星非常均匀，以至于科学家将其称为“标准蜡烛”，它们的光可以用来测量宇宙中的巨大距离。

此外，由于来自遥远物体的光的波长向电磁波谱的红色端延伸，这一过程被称为“红移”，随着它们远离地球，不同距离的标准蜡烛的均匀光输出可用于测量宇宙的膨胀。

因此，将较近的Ia型超新星的红移与较远的白矮星爆炸的红移进行比较，可以暗示这种膨胀的强度以及宇宙历史相应时期的暗物质密度。



显示超新星在宇宙中不同距离和不同时间红移的插图。更早更远的超新星红移更多。（图片来源:DES Collaboration）

新的暗能量调查结果是已知超新星数量的三倍，红移约为0.2，这相当于距离约25亿光年。它是已知标准蜡烛数量的五倍，红移约为0.5，这与大约60亿光年的距离相关。

暗能量调查工作组成员、昆士兰大学教授塔玛拉·戴维斯在一份声明中说:“与25年前相比，这是一次真正的大规模提升，当时只有52颗超新星被用来推断暗能量。”

暗能量并不总是如此密集

在如此宽的宇宙距离范围内，Ia型超新星的样本量如此之大，当结合这些爆炸的距离和它们远离地球的速度时，研究小组可以追踪到宇宙膨胀的记录。

这表明暗能量密度是否保持稳定，而事实似乎并非如此。

“随着宇宙的膨胀，物质密度下降，”暗能量调查主任兼发言人里奇·克朗在同一份声明中说。“但如果暗能量密度是一个常数，那就意味着暗能量的总比例肯定随着体积的增加而增加。”

这可能是对宇宙CDM模型的挑战，CDM模型是一个数学模型，描述了宇宙如何在物质密度、物质类型和暗能量行为等几个关键特征的情况下演化。

这是因为CDM假设暗能量的密度是恒定的，并且不会随着宇宙的膨胀而稀释，这些超新星调查结果表明这可能不是真的。



追踪宇宙膨胀历史的图表（图片来源:DES合作）

“有诱人的迹象表明暗能量会随时间变化。我们发现暗能量的最简单模型——λCDM——并不是最合适的，”戴维斯补充道。“我们已经排除了这种可能性，但在探索什么在加速宇宙膨胀的过程中，这是一个有趣的新难题。可能需要更复杂的解释。”

这个难题的答案可能要等到下一代超新星调查开始并从暗能量调查中获得。

美国国家科学基金会天文科学部项目主任奈杰尔·夏普在同一份声明中说:“这一结果清楚地表明了天文观测项目的价值，这些项目在数据收集结束后仍能产生出色的科学成果。”

“我们需要尽可能多的不同方法来了解暗能量是什么，不是什么。这是实现这种理解的重要途径。”

暗能量调查结果已经提交给《天体物理学杂志》。