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发表于 2023-2-9 16:30:45
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“宇宙在膨胀”是对观测事实的简单解释,已经得到学术界的普遍认可。
1912年到1922年间,美国天文学家维斯托·斯里弗观测了41个星系的光谱,发现其中36个星系的光谱发生红移,他认为这种现象意味着这些星系在远离地球。
1916年,爱因斯坦提出广义相对论。许多物理学家和数学家用爱因斯坦场方程建立时间和空间协调一致的理论,产生了一个动态的解决方案,与当时的“静态宇宙”观念产生冲突。
1927年,比利时天文学家乔治·勒梅特计算出爱因斯坦场方程的一个解:宇宙在不断地膨胀。
1929年,美国天文学家埃德温·哈勃发表其观测结果:距离银河系越远的星系,远离银河系的速度越快。
于是,科学家们得出“宇宙在膨胀”。远离速度与距离的比被称为哈勃常数。
在接下来的几十年间,哈勃常数的测量方法逐渐改进。Freedman于二十世纪九十年代使用哈勃太空望远镜测量了哈勃常数,在2001年发表了72±8千米每秒每百万秒差距的数值。
21世纪初,精确测量给出的哈勃常数在67.8±0.77到74.3±2.1千米每秒每百万秒差距[1]。
在此基础上,当代学术界的主流观点认为“宇宙在加速膨胀”。
Ia型超新星爆发时的绝对星等相当严格地一致,观测它们的视星等就可以测出它们到地球的距离,其红移量可以体现退行速度。因此可以将Ia型超新星到地球的距离和红移量与宇宙学方程预言的数值进行比较。1998年,对高红移超新星的观测中,Ia型超新星的观测数据显示出宇宙在加速膨胀。1999年,超新星宇宙学计划证实了该结果。这项工作于2011年获得诺贝尔物理学奖。
由于原始宇宙的量子涨落,微波背景辐射的光子本来就有各向异性。由于宇宙的物质并不是完全均匀分布的,不同的光子路径上有着不一样的引力势阱或势垒,导致来自不同方向的背景辐射光子的温度有额外的差异,这叫做萨克斯-瓦福效应。如果宇宙不膨胀,光子路径上的引力势阱或势垒的构造将长期稳定;如果宇宙加速膨胀,势阱或势垒也将加速变化,这种变化的信息将留在光子中。所以,观测微波背景辐射的各项异性可以验证这个问题。2008年,两个研究小组分别报道了他们的结论:宇宙在加速膨胀。
按照目前的宇宙学模型,星系和被星系围绕的低密度区域“空洞”的分布反映了早期宇宙的涨落,这些空洞是在光子退耦时被固定住的,在我们现在这个宇宙里的直径几乎肯定是1.5亿秒差距[2]。2011年,WiggleZ计划调查了银河系附近二十万个星系,利用空洞校正了这些星系到地球的距离,再测量它们的红移量,得出了宇宙在大约70亿年前开始加速膨胀的结论。
推动宇宙加速膨胀的未知质能被称为暗能量。
对宇宙微波背景辐射进行观测可以反映宇宙目前的曲率,以及宇宙中暗物质和通常物质的含量。目前的观测结果是,我们的宇宙接近平坦或是封闭的,宇宙的总物质量应该接近临界密度。但是微波背景辐射测出的宇宙暗物质和通常物质的含量仅有临界密度的30%左右[3],剩下的巨大缺口必须找个东西来填上——于是,这缺口通常都用暗能量来填了。 |
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