暗物质和暗能量—暗能量不存在？

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宇宙随着速度不断扩大的发现可能囊括了诺贝尔奖，但是一些宇宙学家仍然不确定暗能量是否是对宇宙的正确解释。支持和反对这种神秘现象的论点目前吵的不可开交。

自从宇宙微波背景（CMB）发现微弱的无线电噪声以来，这是宇宙学最深刻的发现。1998年，两个研究团队锁定激烈的竞争，率先衡量宇宙的扩张速度，他们独立宣布他们得出了同样令人吃惊的结论：宇宙的膨胀没有像预期的那样放缓，而是正在加速。导致这一发现2011诺贝尔物理学奖被授予了两队队长-布莱恩·施密特的的高红移超新星搜索队与索尔·珀尔马特拉的超新星宇宙学项目以及施密特的队友-亚当·里斯—他是第一个绘制数据的人，并意识到宇宙不是原来想象的那样恒定不变。

这个发现是一个“可怕的”时刻，现在在美国约翰霍普金斯大学的里斯承认。当时他刚从博士学位出来，负责绘制High-Z团队收集的超新星数据。因为所有Ia型超新星 - 白矮星的热核破坏 - 具有非常相似的光度和光曲线，它们可以被校准用作“标准化蜡烛”，通过它可以测量宇宙距离。将这些距离与超新星的红移相比较，可以告诉我们宇宙膨胀的速度有多快。里斯计算出来的数据暗示扩张速度加快的结论与正常预期的观点的差别是如此之大，以至于他确信自己犯了一个错误。

然而，当珀尔马特的团队透露，他们已经发现了同样的事情，历史被创造，用两个突破性的论文记录了加速扩张的发现-其一为超新星宇宙学项目（一。Astrophys J. 517 565），另一由高Z队（Astron。J. 116 1009）得出。为了解释这种加速度，一个古老的想法得到了重生：爱因斯坦的宇宙常数，它描述了空间的能量密度 - 以及它与“暗能量”的概念。来自普朗克任务的最新测量结果表明，宇宙是由约68％的暗能量，以及5％的普通物质和27％的暗物质构成的。然而，暗能量的确切性质仍然是神秘的。

支持的论点

在随后的20年中，取得了两项重大进展。第一个是独立确认观察到的加速度是真实的效果。这种确认来自几种不同的途径，特别是CMB中的重子声学振荡（BAOs）。这些振荡起源于早期宇宙，距离宇宙大爆炸不到38万年，当时空间充满了足够密集的等离子体海洋，使声波能够通过。声波具有由CMB中的热点和冷点（各向异性）表示的波峰和波谷，并且具有特征波长。在这些年代中，热点成为物质凝聚成星系的成核位置，随着宇宙的膨胀，特征波长也随之扩大。今天，星系的平均分布反映了CMB中BAO的大小。就像Ia型超新星是“标准”蜡烛一样，BAO也是测量宇宙膨胀的标准统治者。他们支持这一发现，即扩张正在加速。

一个平坦的宇宙有一个关键的物质/能量密度，它需要宇宙中所有质量和能量的68.3％来自暗能量

进一步的证据表明加速度是真实的，以空间本身的几何为中心，CMB表明它是“平坦的”。在这样一个宇宙中，欧几里德几何适用于：如果绘制两条平行线并将它们延伸至无穷大，它们将始终保持平行，而在曲线宇宙中，线会发散或收敛。一个平坦的宇宙有一个关键的物质/能量密度，要求宇宙中所有质量和能量的68.3％是由暗能量产生的，这个能量值可以从CMB中的声峰的大小和间距中推导出来。

里斯说，过去二十年的另一个重大发展是暗能量的状态方程，它描述了暗能量的能量密度与其压力之间的比率。因为它导致宇宙膨胀而不是收缩，所以暗能量被认为具有负压或“张力”，因此其状态方程的解答具有负值。理论上，由宇宙常数支配的宇宙状态方程将具有-1的解，但事实上对于状态方程的解决方案大于负三分之一会导致加速扩张的宇宙。

事实证明，我们的宇宙的状态方程的解答几乎是-1（+ / - 0.05）。这正好是人们在宇宙常数占主导地位的宇宙中预期的5％以内的价值。从表面上看，这似乎排除了宇宙常数的替代物，例如称为精华的标量场，其中暗能量随时间和空间而变化。因为宇宙常数是整个宇宙中的一个固定值，暗示暗能量总是具有相同的强度。既然它是空间本身的能量，那么随着空间的扩大，更多的暗能量进入宇宙，导致扩张速度加快。如果暗能量不受限制，这种情况最终可能会导致撕裂时空的大裂口结构。

宇宙扩张：宇宙自诞生以来一直在扩张，但在过去的五六十亿年内不是放慢速度，而是扩张速度加快。

反对者

那么，案件结案？不完全是。暗能量可能只是模仿宇宙常数，标量场变化很慢，我们还没有发现它。或者，也许暗能量甚至不存在。

似乎是加速扩张的发现是无可争议的，但我们是否被自然所欺骗？令人惊讶的是，里斯对此可能性持开放态度。“我不认为暗能量现象必须是真实的，”他说。

其中一个绊脚石是暗能量的预测强度与其观察到的强度之间的惊人差异。量子场论的暗能量计算值比我们所观察到的要大10120倍。如果暗能量真的很强大，它将会扩大空间的速度，以至于单个原子将被巨大的距离分隔开来，恒星和星系将无法形成。显然，我们似乎缺少一些基本的东西。

因此，这种差异导致一些科学家考虑其他有争议的可能性。在我们深入研究之前，重要的是要认识到加速扩张和暗能量之间的差异。前者通过观察显示出来，但后者只是对这些观察的解释。

任何解释都必须考虑到所有的观测结果：超新星结果，BAOs，CMB及其声峰，以及星系团的增长。里斯已经参与了这一方面的公共冲突。在2016年牛津大学的苏比尔萨卡和哥本哈根大学叶普尼尔森玻尔研究所的阿尔贝托Guffanti发表的论文（科学报告 6 35596）中就认为基于他们对740型Ia超新星数据的统计数据分析，暗能量比想象的要弱。

里斯不同意他们的评估。“我认为它有严重的缺陷，”他说，他们将超新星数据的分析描述为“非标准”。事实上，Lawrence Berkeley国家实验室（ApJL 833 L30）的David Rubin和Brian Hayden重新分析了萨卡尔的结果，表明他们所说的是萨卡尔及其同事分析中的错误。然而，萨卡尔对此提出异议，称这种批评是“不真诚”的，不仅因为他的团队使用了一种常用的统计方法，称为最大似然估计法，而且因为这种方法不假设标准Λ-CDM（冷暗物质和暗能量的范例）宇宙模型是正确的模型，因此是无偏的。萨卡对这种标准的宇宙学模型持怀疑态度，称其“从未经过严格测试”。

里斯对萨卡的工作提出的另一个批评是，它没有包含所有有关BAO，CMB等加速扩张的证据。“我不知道为什么他们会忽略所有其他确认证据，”里斯说。萨卡尔反驳认为，一些有争议的分析，例如Isaac Tutusvaus在2017年的天文学和天体物理学文章（602 10.1051 / 0004-6361 / 201630289）中没有发现BAO数据加速的证据。然而，宇宙学家仍然认为BAO是加速扩张的有力证据。

空间的东西：宇宙中的物质主要是形成宇宙网的细丝。

伟大的空洞

事实上，暗能量存在的挑战往往集中在我们最宝贵的宇宙学模型上。宇宙学原理指出，宇宙中物质的分布既是同质的，又是各向同性的。然而，在较小的尺度上，物质是块状的，被排列成星系和星系团，形成链条和簇壁，延伸数亿光年。但重要的是，这些最大的建筑，如斯隆长城，并不受引力约束。在这些物质岛之间是巨大的空隙，物质的密度要低得多。重力会根据您处于群集还是空洞而影响空间的扩展。

暗能量存在的挑战往往集中在我们最宝贵的宇宙学模型上

根据夏威夷大学IstvánSzapudi的说法，这个价值64,000美元的问题并不是结构是否影响宇宙的扩张 - “很明显它确实存在”，他说 - 但是这种效应的大小是多少？

Szapudi合著了2017年发表的一篇论文（MNRAS 469 L1），该论文认为，Λ-CDM模型没有考虑到变化的结构 - 表现在空洞和星团 - 在宇宙中传播。宇宙膨胀的模型通常基于弗里德曼-Lematre-Robertson-Walker（FLRW）度量。这是弗里德曼方程的一个精确解答，它解决了与宇宙学原理一致的膨胀宇宙的广义相对论，以及空间曲率为零的地方在任何地方都是相同的。然而，用他们的AVERA算法，Szapudi和他的同事为首的Gabor RACZ在布达佩斯的EtvsLoránd大学，发现他们的模拟扩张取决于周围结构的不同速率。因为宇宙是由空洞所控制的，而较低的引力使得宇宙能更快地扩张，所以只有通过平均所有不同的扩张速度，才能看到扩张速度在加快。

长与短的比例

另一种有争议的替代暗能量的方法也是承认结构，但相对于对Szapudi和Rácz的方法，David Wiltshire采取了不同的方法，提出了“时间空间宇宙论”。基于对FLRW指标的有效性持怀疑态度，特别是，他批评FLRW宇宙学中的重要尺度是忽略个别星系和星系团粗粒度的最大尺度。“问题是什么尺度的物质和几何耦合了爱因斯坦方程？”他问道。“我的答案是短尺度优先。”

在不到4.5亿光年的尺度上，宇宙是块状的，充满了影响空间和扩张的不同空间和空间。最大的空洞，超过1.6亿光年，占可观测宇宙总体积的40％。加上其他较小的空隙，它们占宇宙一半体积以上，因此它们在宇宙如何扩张方面有很大的发言权。

在时间空间宇宙学中，时间在空隙中比在人口密集的空间区域运行得更快。因此，银河系中的时间比大型宇宙空间中的同一时间慢大约35％。数十亿年的空间会超过星系团，而在数十亿年后，空间将会扩大。对整个空间的扩展速率进行平均 - 即空洞和群集 - 使得扩展速度变得更快，因为空洞占主导地位。

需要备份

这是令人兴奋的事情，但里斯尚未准备好放弃工具，并放弃研究黑暗能源。他说：“我不会认真对待这类事情，直到其他人可以独立验证它为止。”“人们有自己的方式来看待问题，但在我看到没有人能够重现他们所做的事情的情况下。”

时间空间宇宙学目前面临的一个问题是，它还不像暗能量模型那样被人广为接受。Wiltshire表示，他的团队刚刚开始着手解决减少BAO数据而不假设FLRW指标的挑战，并表示最初的结果显示出前景。

拟合CMB数据中声峰的高度更是一个挑战，因为它需要重写描述作为宇宙结构种子的微小各向异性增长的数学。以与FLRW度量标准相同的准确度来做到这一点，依赖于被称为“反向反应”的内容。

在标准宇宙学中，假设FLRW度量准确地描述了任意大尺度上宇宙的平均增长。然而，在时间宇宙论中描述的一般不均匀宇宙中，情况已不再是这样。即使偏离均匀性很小，正如CMB的各向异性所显示的，它们的平均增长可能并不完全遵循大规模的弗里德曼方程。这些差异称为反向反应。

“以前没有人曾考虑过[CMB]原生等离子体的反作用，”Wilt-shire说。“这是一个非常棘手的问题，但我怀疑其他任何人都会这样做，除非弗里德曼方程式被证明失败。”

测量：欧洲空间局的欧几里得任务。

然而，威尔特郡在他的视野中拥有FLRW指标。欧几里得任务是欧洲空间局在未来十年发射的研究暗物质，暗能量和太空几何的任务，将能够使用Chris Clarkson，Bruce Bassett和Teresa Hui-Ching开发的方法将FLRW置于现场Ku。它寻找哈勃常数（一种衡量空间扩展的指标）和一个物体的光度距离（绝对和表观大小之间的关系）之间的关系。根据弗里德曼方程，这种关系只适用于空间曲率无处不在的宇宙。如果测试支持FLRW度量的预测，那么timescape宇宙论可能是错误的。另一方面，如果它反驳了FLRW指标，就像威尔特郡所说的那样，它将会是游戏开始。

不是如此恒定不变

哈勃常数对空间的扩展至关重要，也是令人惊愕的根源。2016年，里斯率领一支团队精确测量当地宇宙中的哈勃常数。正如他发现20年前的加速扩张一样，里斯使用Ia型超新星做出了这种测量，最初那些在星系中爆炸的星体也是可见的造父变星 - 这是用来衡量恒星距离的另一个宇宙尺度。通过按照造父变星的周期 - 光度关系测量的准确距离来校准超新星距离，他的团队随后将该校准应用于更远距离星系中的300个其他Ia型超新星，以产生精确的测量结果。

由里斯小组测得的哈勃常数为73km / s / Mpc（换句话说，在每百万分之一宽的空间体积中，宇宙每秒扩展73公里）。然而，根据欧洲空间局的普朗克任务测量，局部宇宙中常数的测量值似乎不同于早期宇宙中的恒定值，该值为67.3公里/秒/ Mpc。

里斯将其与人体的发育相类比。医生可能会测量一个孩子的身高，并根据增长图预测孩子在成年时会有多高。哈勃常数的本地测量就像测量成人的身高一样，普朗克测量哈勃常数就像测量他们小时候的身高一样。“我们的宇宙学模型，包括暗能量和暗物质，预测了孩子的最终身高，”他说。“这看起来不正确。”

那么为什么哈勃常数在历史的另一端的不同？一种可能性是我们对早期宇宙的假设是错误的。也许暗物质粒子比我们想象的更不稳定或相互作用更多，这会影响CMB的性质。在十亿年前的某个时候，也许有一次早期的暗能量爆发。“我们都在为此挠头，试图找出可能导致它的原因，”里斯说。

就他而言，Szapudi认为哈勃常数的差异可以用标准ΛCDM模型与AvERA算法描述宇宙膨胀之间的小差异来解释。“如果没有别的办法，我们的替代理论已经说明，哈勃不变的差异可能是一个略有不同的扩张历史的迹象，”他说。“完全独立于我们理论的细节，这表明欧几里得，WFIRST[宽视场红外测量望远镜]和LSST[大型综合测量望远镜]在绘制扩展历史时可能会发现一些非常有趣的事情“。

仍然有争议

毫无疑问，暗能量 - 无论是宇宙常数还是精华 - 都是具有大量观测证据支持的主导理论。替代方案仍存在很大争议。然而，这些恼人的问题-就像巨大的10120倍差异一样-还是不会消失。即将进行的调查将进一步巩固暗能量理论的地位，或者彻底颠覆它来实现惊喜。

“这是一个非常有趣的领域，因为我不知道下一步会发生什么，”里斯总结道。“我们刚刚处于初步侦察阶段，我认为我们不应该对惊喜感到惊讶。”

  
本文选自：今日头条
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