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发表于 2020-4-2 20:34:53
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暗能量是宇宙的主要组成部分(占69.4%)。宇宙的其余部分由普通物质和暗物质组成。与两种形式的物质相比,暗能量在时间和空间上相对均匀,并且在其占据的体积内在引力上具有排斥力,没有吸引力。暗能量的性质仍未得到很好的理解。
图注:哈勃太空望远镜在1997年观察到的三个遥远的Ia型超新星。由于Ia型超新星具有相同的光度,因此可用于测量暗能量及其对宇宙膨胀的影响。 底部图像是上部宽视图的详细信息。 左和中部的超新星发生在大约50亿年前。 正确的是,七十亿年前。
一种宇宙排斥力最初是由爱因斯坦(Albert Einstein)于1917年提出的,并以“宇宙常数”一词来表示,爱因斯坦不情愿地将其引入广义相对论中,以抵消引力的吸引力并解释了 假定为静态的宇宙(既不膨胀也不收缩)。
美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1920年代发现宇宙不是静止的而是实际上正在膨胀后,爱因斯坦将这个常数的增加称为他的“最大失误”。 但是,宇宙质量能量预算中测得的物质量太少了,因此需要一些未知的“缺失成分”,就像宇宙学常数一样,来弥补这一缺陷。1998年首次提出了存在这种被称为暗能量的成分的直接证据。
图注:美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)。
暗能量是通过其对宇宙膨胀速率的影响以及对引力不稳定性形成的大型结构(例如星系和星系团)的速率的影响来检测的。膨胀率的测量需要使用望远镜来测量在宇宙历史中以不同大小比例(或红移)看到的物体的距离(或光传播时间)。这些努力通常受到难以精确测量天文距离的限制。
由于暗能量与引力作用相反,更多的暗能量会加速宇宙的膨胀并阻碍大型结构的形成。一种测量膨胀率的技术是观察已知亮度的物体(例如Ia型超新星)的视在亮度。1998年,两个国际团队使用这种方法发现了暗能量,其中包括美国天文学家亚当·里斯(Adam Riess)、索尔·珀尔默特(Saul Perlmutter)和澳大利亚天文学家布赖恩·施密特(Brian Schmidt)。
两支队伍使用了八架望远镜,包括凯克天文台和MMT天文台的望远镜。当宇宙仅是其当前大小的三分之二时爆炸的Ia型超新星是微弱的,因此比没有暗能量的宇宙更远。这暗示着宇宙的膨胀速度现在比过去更快,这是当前暗能量占主导地位的结果。 (在早期宇宙中,暗能量可以忽略不计。)研究暗能量对大规模结构的影响涉及测量由星系形状引起的微小变形,这些变形是由空间物质通过空间物质的弯曲而引起的,这种现象被称为“弱透镜”。
在过去的数十亿年中的某个时刻,暗能量在宇宙中占主导地位,从而阻止了更多星系和星系团的形成。“弱透镜”揭示了宇宙结构的这种变化。另一种度量方法是对宇宙中星系团的数量进行计数,以测量空间的体积以及该体积的增长速度。大多数暗能量观测研究的目标是测量其状态方程(其压力与能量密度之比),其性质的变化以及暗能量提供引力物理学的完整程度。
图注:威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)制作的全天候地图显示了宇宙背景辐射,即距今130亿年前的婴儿宇宙发出的微波非常均匀的辉光。 颜色差异表明辐射强度的微小波动,这是早期宇宙中物质密度微小变化的结果。 根据通货膨胀理论,这些不规则现象是成为星系的“种子”。 WMAP的数据支持大爆炸和通货膨胀模型。
在宇宙学理论中,暗能量是爱因斯坦广义相对论场方程应力能张量中的一类广义分量。在这个理论中,宇宙的物质能量(用张量表示)和时空的形状有着直接的对应关系。物质(或能量)密度(正数量)和内部压力都对一个组件的引力场有贡献。当常见的应力能量张量(如物质和辐射)通过弯曲时空提供吸引引力时,暗能量通过负内压产生排斥引力。如果压力与能量密度之比小于-1/3,则对于具有负压的组件,该组件将具有引力自斥力。如果这样一个组成部分主宰宇宙,它将加速宇宙的膨胀。
对暗能量最简单和最古老的解释是,它是一种空的空间固有的能量密度,或“真空能量”。从数学上讲,真空能量相当于爱因斯坦的宇宙学常数。尽管爱因斯坦和其他人拒绝了宇宙学常数,但基于量子场论,现代对真空的理解是,真空能自然地产生于量子涨落的总和(即,产生并随后不久相互湮灭的虚拟粒子-反粒子对)空的地方。
然而,观测到的宇宙真空能量密度为每立方厘米约10^(-10)ergs;量子场论预测值为每立方厘米约10^110ergs。这种10^120的差异甚至在发现弱得多的暗能量之前就已经知道了。尽管尚未找到解决该问题的基本方法,但已经提出了概率解决方案,其受弦论和可能存在大量不连续宇宙的启发。在这种范式中,常数的意外低值被理解为是由于有更多的机会(即宇宙)出现常数的不同值,以及随机选择一个小到足以形成星系(从而恒星和生命)的值。
暗能量的另一个流行理论是,它是一种由动力场势能产生的瞬态真空能。这种被称为“精华”的暗能量形式会在空间和时间上发生变化,从而提供了一种可能的方法来将其与宇宙常数区分开来。它的机制(尽管在规模上有很大的不同)也与大爆炸膨胀理论中所引用的标量场能量相
暗能量的另一个可能解释是宇宙结构中的拓扑缺陷。在时空固有缺陷(如宇宙弦或宇宙壁)的情况下,宇宙膨胀时产生的新缺陷在数学上类似于宇宙常数,尽管缺陷状态方程的值取决于缺陷是弦(一维)还是壁(二维)。
也有人试图修改引力来解释宇宙学和局部观测,而不需要暗能量。这些尝试引发了对整个可观测宇宙尺度上广义相对论的背离。
理解有无暗能量或无暗能量加速膨胀的一个主要挑战是,说明暗能量密度和暗物质的密度在一定程度上有所不同,这是近来出现的(近几十亿年来)暗能量密度与暗物质之间的近似相等。 (对于在早期宇宙中形成的宇宙结构,暗能量必定是无关紧要的。)这个问题被称为“巧合问题”或“微调问题”。理解暗能量的性质及其许多相关问题是现代物理学中最艰巨的挑战之一。
回答了什么是暗能量,现在在回到题干。首先,暗能量还没有找到实际的候选者,目前还只是一个理论假设能量,我们只知道暗能量部分性质,最主要的性质是存在排斥力,这跟题干所说显能能量是有区别的,所谓的显能量即正常能量,正常能量具有吸引和排斥能力,所以说暗能量与正常能量不等价。 |
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