为什么宇宙会自我分裂？一项新的研究表明暗能量可能比我们想象的更复杂

焦饭转锅巴速

Ia型超新星的残骸——一种用于测量宇宙距离的爆炸恒星。信用:美国国家航空航天局/ CXC /德克萨斯大学，抄送

（）据对话（布拉德·E·塔克）：宇宙是由什么组成的？这个问题已经困扰了天文学家数百年。

在过去的四分之一世纪里，科学家们认为组成你、我、地球和几乎所有我们能看到的东西的原子和分子等“正常”物质只占宇宙的5%。另外25%是“暗物质”，一种我们看不见的未知物质，但我们可以通过它如何通过重力影响正常物质来检测它。

宇宙剩余的70%是由“暗能量”构成的。发现于1998年，这是一种未知形式的能量，被认为使宇宙以越来越快的速度膨胀。

在即将发表在《天文学杂志》上的一项新研究中，我们比以往任何时候都更详细地测量了暗能量的特性。我们的结果表明，它可能是由爱因斯坦首次提出的一种假设的真空能量——或者它可能是随着时间的推移而变化的更奇怪、更复杂的东西。

什么是暗能量？

当爱因斯坦在一个多世纪前发展广义相对论时，他意识到他的方程表明宇宙应该要么膨胀要么收缩。这在他看来是错误的，所以他增加了一个“宇宙常数”——一种真空中固有的能量——来平衡重力，保持宇宙静止。

后来，当亨丽爱塔·斯万·勒维特和埃德温·哈勃的工作表明宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦抛弃了宇宙常数，称之为他“最大的错误”。

然而，在1998年，两个研究小组发现宇宙的膨胀实际上在加速。这意味着与爱因斯坦的宇宙常数非常相似的东西可能存在——我们现在称之为暗能量。

自从那些最初的测量以来，我们一直在使用超新星和其他探测器来测量暗能量的性质。到目前为止，这些结果表明宇宙中暗能量的密度似乎是恒定的。

这意味着暗能量的强度保持不变，即使宇宙在增长——它似乎不会随着宇宙变大而分散得更薄。我们用一个名为w .爱因斯坦的宇宙常数来测量这个值，这个常数实际上设定w为-1，早期的观察表明这是正确的。

作为宇宙测量棒的爆炸恒星

我们如何测量宇宙中有什么，它增长得有多快？我们没有巨大的卷尺或巨大的天平，所以我们使用“标准蜡烛”:空间中亮度已知的物体。

想象一下，现在是晚上，你站在一条长路上，只有几根灯杆。这些极点都有相同的灯泡，但是更远的极点比附近的更暗。

这是因为光线随距离成比例衰减。如果我们知道灯泡的功率，并能测量出灯泡看起来有多亮，我们就能计算出到灯杆的距离。

对于天文学家来说，一个普通的宇宙灯泡是一种叫做Ia型超新星的爆炸恒星。这些是白矮星，它们经常从邻近的恒星吸取物质，并增长到太阳质量的1.44倍，在这一点上它们会爆炸。通过测量爆炸消失的速度，我们可以确定它有多亮，从而确定它离我们有多远。

暗能量调查

暗能量调查是迄今为止测量暗能量的最大努力。跨越多个大洲的400多名科学家一起工作了近十年，反复观察南部天空的部分区域。

反复观察让我们寻找变化，比如新的爆炸恒星。你观察得越频繁，你就能更好地测量这些变化，你搜索的区域越大，你就能找到越多的超新星。

表明暗能量存在的第一批结果只使用了几十颗超新星。暗能量调查的最新结果使用了大约1500颗爆炸恒星，给出了更高的精确度。

使用安装在智利Cerro-Tololo美洲天文台4米Blanco望远镜上的特制相机，调查发现了数以千计不同类型的超新星。为了找出哪一个是Ia型(我们需要用来测量距离的那种)，我们使用了新南威尔士Siding Spring天文台的4米英澳望远镜。

盎格鲁-澳大利亚望远镜测量了超新星发出的光的颜色。这让我们看到爆炸中各个元素的“指纹”。

Ia型超新星有一些独特的特征，比如不含氢和硅。有了足够多的超新星，机器学习让我们能够有效地分类成千上万的超新星。

比宇宙常数更复杂

最后，经过十多年的工作和对大约1500颗Ia型超新星的研究，暗能量调查产生了一个新的w的最佳测量值。我们发现w =-0.80±0.18，所以它在-0.62和-0.98之间。

这是一个非常有趣的结果。它接近于-1，但不完全在那里。要成为宇宙常数，或者真空的能量，它必须正好是-1。

这给我们留下了什么？认为可能需要一个更复杂的暗能量模型，也许在这个模型中，这种神秘的能量在宇宙的生命中已经发生了变化。