什么是暗能量？在我們加速膨脹的宇宙中

2025-12-06 20:17:47 分類(lèi)：娛樂(lè) 閱讀(1587)

（神秘的什暗速膨地球uux.cn）據(jù)美國(guó)宇航局（切爾西·高德）：大約138億年前，宇宙開(kāi)始了我們稱(chēng)之為大爆炸的脹的中快速膨脹。在持續(xù)了幾分之一秒的宇宙溫州包夜外圍（電話(huà)微信181-8279-1445）一二線(xiàn)城市模特空姐網(wǎng)紅學(xué)生上門(mén)初始膨脹之后，引力開(kāi)始讓宇宙減速。什暗速膨但是脹的中宇宙不會(huì)一直這樣。宇宙誕生90億年后，宇宙在一種被科學(xué)家命名為暗能量的什暗速膨未知力量的驅(qū)動(dòng)下，宇宙開(kāi)始加速膨脹。脹的中
但是宇宙暗能量到底是什么呢？
簡(jiǎn)短的回答是:我們不知道。但我們確實(shí)知道它的什暗速膨存在，它正在使宇宙加速膨脹，脹的中宇宙中大約68.3%到70%是宇宙暗能量。

這張信息圖概述了宇宙的歷史。uux.cn/美國(guó)國(guó)家航空航天局
簡(jiǎn)史這一切都始于造父變星
暗能量直到20世紀(jì)90年代末才被發(fā)現(xiàn)。脹的中但它在科學(xué)研究中的宇宙起源可以追溯到1912年，當(dāng)時(shí)美國(guó)天文學(xué)家亨麗愛(ài)塔·斯萬(wàn)·勒維特利用造父變星做出了一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。造父變星是一類(lèi)恒星，其亮度的波動(dòng)規(guī)律取決于恒星的亮度。
所有具有一定周期的造父星（造父星的周期是從明亮到暗淡再到明亮的時(shí)間）都具有相同的絕對(duì)星等或光度——它們發(fā)出的光量。萊維特測(cè)量了這些恒星，并證明了它們的亮度和光度的規(guī)則周期之間存在關(guān)系。萊維特的發(fā)現(xiàn)使天文學(xué)家有可能利用恒星的周期和光度來(lái)測(cè)量我們與遙遠(yuǎn)星系中造父星（以及我們自己的銀河系）的距離。
大約在歷史的同一時(shí)期，天文學(xué)家維斯托·斯萊弗用他的望遠(yuǎn)鏡攝譜儀觀察了螺旋星系，這種設(shè)備將光分成組成它的溫州包夜外圍（電話(huà)微信181-8279-1445）一二線(xiàn)城市模特空姐網(wǎng)紅學(xué)生上門(mén)各種顏色，就像棱鏡將光分成彩虹一樣。他使用攝譜儀（當(dāng)時(shí)相對(duì)較新的發(fā)明）來(lái)觀察來(lái)自不同譜線(xiàn)星系的不同波長(zhǎng)的光。通過(guò)他的觀察，西爾弗是第一個(gè)觀察到銀河系在遙遠(yuǎn)星系中以多快的速度遠(yuǎn)離我們的天文學(xué)家，這被稱(chēng)為紅移。這些觀察將被證明對(duì)許多未來(lái)的科學(xué)突破至關(guān)重要，包括暗能量的發(fā)現(xiàn)。
紅移是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，當(dāng)天文物體遠(yuǎn)離我們時(shí)，來(lái)自這些物體的光會(huì)延伸出去。光的行為像波，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)。因此，從遠(yuǎn)離我們的物體發(fā)出的光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，延伸到電磁波的“紅端”。
發(fā)現(xiàn)膨脹的宇宙
星系紅移、造父變星的周期光度關(guān)系以及測(cè)量恒星或星系距離的新能力的發(fā)現(xiàn)，最終在天文學(xué)家觀察到星系隨著時(shí)間的推移離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)的過(guò)程中發(fā)揮了作用，這表明了宇宙是如何膨脹的。在接下來(lái)的幾年里，世界各地不同的科學(xué)家開(kāi)始將膨脹宇宙的碎片拼湊起來(lái)。
1922年，俄羅斯科學(xué)家和數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了宇宙歷史的多種可能性。該論文基于阿爾伯特·愛(ài)因斯坦1917年發(fā)表的廣義相對(duì)論，包括宇宙正在膨脹的可能性。
1927年，比利時(shí)天文學(xué)家喬治·勒梅特（據(jù)說(shuō)他并不知道弗里德曼的工作）發(fā)表了一篇論文，其中也考慮了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。此外，盡管愛(ài)因斯坦在其理論中指出宇宙是靜態(tài)的，但勒梅特展示了愛(ài)因斯坦理論中的方程如何實(shí)際上支持宇宙不是靜態(tài)的，而是實(shí)際上正在膨脹的觀點(diǎn)。
1929年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃通過(guò)他的助手、天文學(xué)家米爾頓·赫馬森的觀測(cè)證實(shí)宇宙正在膨脹。赫馬森測(cè)量了螺旋星系的紅移。哈勃和赫馬森隨后研究了這些星系中的造父星，利用這些恒星確定了它們所在星系（或稱(chēng)之為星云）的距離。他們將這些星系的距離與它們的紅移進(jìn)行了比較，并跟蹤了一個(gè)物體距離我們?cè)竭h(yuǎn)，它的紅移越大，離我們?cè)竭h(yuǎn)的情況。兩人發(fā)現(xiàn)，像星系這樣的物體遠(yuǎn)離地球的速度越快，每秒鐘超過(guò)幾十萬(wàn)英里——這一觀察現(xiàn)在被稱(chēng)為哈勃定律或哈勃-勒梅定律。他們證實(shí)，宇宙確實(shí)在膨脹。

這張合成圖像展示了有史以來(lái)最復(fù)雜、最引人注目的星系團(tuán)碰撞。這個(gè)系統(tǒng)被正式命名為Abell 2744，由于發(fā)現(xiàn)了各種不同的結(jié)構(gòu)，它被稱(chēng)為潘多拉星團(tuán)。來(lái)自錢(qián)德拉（紅色）的數(shù)據(jù)顯示氣體溫度高達(dá)數(shù)百萬(wàn)度。藍(lán)色的地圖顯示了基于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和斯巴魯望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的總質(zhì)量濃度（主要是暗物質(zhì)）。來(lái)自HST和VLT的光學(xué)數(shù)據(jù)也顯示了星系團(tuán)的組成星系。天文學(xué)家認(rèn)為至少有四個(gè)來(lái)自不同方向的星系團(tuán)參與了這次碰撞。uux.cn/
超新星顯示膨脹正在加速
科學(xué)家此前認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，宇宙的膨脹可能會(huì)因引力而放緩，這一預(yù)期得到了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的支持。但在1998年，當(dāng)兩個(gè)不同的天文學(xué)家小組觀察遙遠(yuǎn)的超新星時(shí)，一切都發(fā)生了變化，他們注意到（在特定紅移下）恒星爆炸比預(yù)期的要暗。這些小組由天文學(xué)家亞當(dāng)·里斯、索爾·珀?duì)栺R特和布萊恩·施密特領(lǐng)導(dǎo)。這三人組因此獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
雖然昏暗的超新星似乎不是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，但這些天文學(xué)家正在觀察1a型超新星，已知它們具有一定的亮度。所以他們知道一定有其他因素使這些物體看起來(lái)更暗。科學(xué)家可以利用物體的亮度來(lái)確定距離（和速度），較暗的物體通常距離更遠(yuǎn)（盡管周?chē)幕覊m和其他因素會(huì)導(dǎo)致物體變暗）。
這使得科學(xué)家們得出結(jié)論，這些超新星比他們通過(guò)觀察紅移所預(yù)期的要遠(yuǎn)得多。
利用物體的亮度，研究人員確定了這些超新星的距離。利用光譜，他們能夠計(jì)算出天體的紅移，從而計(jì)算出它們遠(yuǎn)離我們的速度。他們發(fā)現(xiàn)超新星并不像預(yù)期的那樣近，這意味著它們比以前更快地遠(yuǎn)離我們。這些觀察使科學(xué)家最終得出結(jié)論，宇宙本身肯定隨著時(shí)間的推移膨脹得更快。
雖然已經(jīng)探索了這些觀測(cè)結(jié)果的其他可能解釋?zhuān)陙?lái)研究更遙遠(yuǎn)的超新星或其他宇宙現(xiàn)象的天文學(xué)家繼續(xù)收集證據(jù)，并為宇宙隨著時(shí)間的推移而更快膨脹的觀點(diǎn)提供支持。這種現(xiàn)象現(xiàn)在被稱(chēng)為宇宙加速。
但是，當(dāng)科學(xué)家為宇宙加速建立一個(gè)案例時(shí)，他們也問(wèn):為什么？隨著時(shí)間的推移，是什么在推動(dòng)宇宙更快地?cái)U(kuò)張呢？
進(jìn)入暗能量。
暗能量到底是什么？
目前，暗能量只是天文學(xué)家給導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘“東西”起的名字。
一些人認(rèn)為暗能量具有向外推動(dòng)太空的負(fù)壓效應(yīng)。然而，我們根本不知道暗能量是否具有任何類(lèi)型的力的效果。關(guān)于暗能量可能是什么有很多想法。以下是對(duì)暗能量的四種主要解釋。請(qǐng)記住，有可能完全是別的東西。
真空能量:
一些科學(xué)家認(rèn)為暗能量是太空中一種基本的、無(wú)時(shí)不在的背景能量，稱(chēng)為真空能量，它可能等于宇宙常數(shù)，宇宙常數(shù)是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論方程中的一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)。最初，這個(gè)常數(shù)的存在是為了平衡引力，從而產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)的宇宙。但是當(dāng)哈勃證實(shí)宇宙確實(shí)在膨脹時(shí)，愛(ài)因斯坦去掉了這個(gè)常數(shù)，物理學(xué)家喬治·蓋莫夫稱(chēng)之為“我最大的失誤”。
但是當(dāng)后來(lái)發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹實(shí)際上在加速時(shí)，一些科學(xué)家提出，以前不可信的宇宙常數(shù)可能實(shí)際上有一個(gè)非零值。他們認(rèn)為這種額外的力對(duì)于加速宇宙膨脹是必要的。這種理論認(rèn)為這種神秘成分可以歸因于一種叫做“真空能量”的東西，這是一種滲透整個(gè)空間的理論背景能量。
空間從來(lái)都不是空的。根據(jù)量子場(chǎng)論，存在虛粒子，或粒子和反粒子對(duì)。人們認(rèn)為，這些虛擬粒子幾乎一出現(xiàn)在宇宙中就會(huì)相互抵消，這種突然出現(xiàn)又突然消失的行為可能是由充滿(mǎn)宇宙并將空間向外推的“真空能量”實(shí)現(xiàn)的。
雖然這一理論一直是一個(gè)熱門(mén)的討論話(huà)題，但研究這一選擇的科學(xué)家已經(jīng)計(jì)算出理論上太空中應(yīng)該有多少真空能量。他們表明，要么應(yīng)該有如此多的真空能量，以至于在一開(kāi)始，宇宙會(huì)以如此快的速度和如此大的力量向外膨脹，以至于沒(méi)有恒星或星系可以形成，要么…應(yīng)該絕對(duì)沒(méi)有。這意味著宇宙中的真空能量肯定比這些預(yù)測(cè)中的要小得多。然而，這種差異尚未得到解決，甚至獲得了“宇宙常數(shù)問(wèn)題”的綽號(hào)。
精髓:
一些科學(xué)家認(rèn)為，暗能量可能是一種充滿(mǎn)空間的能量流體或能量場(chǎng)，其行為方式與正常物質(zhì)相反，其數(shù)量和分布在時(shí)間和空間上都有所不同。這種暗能量的假設(shè)版本被戲稱(chēng)為精粹，以古希臘哲學(xué)家討論的理論上的第五元素命名。
一些科學(xué)家甚至提出，精髓可能是暗能量和暗物質(zhì)的某種結(jié)合，盡管這兩者目前被認(rèn)為是完全獨(dú)立的。雖然這兩者對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)都是主要的謎團(tuán)，但暗物質(zhì)被認(rèn)為占宇宙中所有物質(zhì)的85%。
空間褶皺:
一些科學(xué)家認(rèn)為暗能量可能是宇宙本身結(jié)構(gòu)的一種缺陷；像宇宙弦一樣的缺陷，這是一種假設(shè)的一維“皺紋”，被認(rèn)為是在早期宇宙中形成的。
廣義相對(duì)論的一個(gè)缺陷:
一些科學(xué)家認(rèn)為暗能量不是我們可以發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。相反，他們認(rèn)為廣義相對(duì)論和愛(ài)因斯坦的引力理論以及它在可觀測(cè)宇宙尺度上的工作方式可能存在問(wèn)題。在這個(gè)解釋中，科學(xué)家認(rèn)為有可能修改我們對(duì)引力的理解，從而解釋在不需要暗能量的情況下對(duì)宇宙的觀察。愛(ài)因斯坦實(shí)際上在1919年提出了這樣一個(gè)被稱(chēng)為幺模引力的想法，這是廣義相對(duì)論的修改版本，今天的科學(xué)家認(rèn)為它不需要暗能量來(lái)理解宇宙。
未來(lái)
暗能量是宇宙最大的謎團(tuán)之一。幾十年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)我們膨脹的宇宙進(jìn)行了理論化。現(xiàn)在，有史以來(lái)第一次，我們有足夠強(qiáng)大的工具來(lái)測(cè)試這些理論并真正研究這個(gè)大問(wèn)題:“什么是暗能量？”
美國(guó)國(guó)家航空航天局在歐洲航天局（ESA）的歐幾里德任務(wù)（2023年發(fā)射）中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，該任務(wù)將繪制一幅宇宙3D地圖，以了解物質(zhì)如何隨著時(shí)間的推移被暗能量撕裂。這張地圖將包括對(duì)距離地球100億光年的數(shù)十億個(gè)星系的觀測(cè)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望遠(yuǎn)鏡將于2027年5月發(fā)射，旨在研究暗能量和許多其他科學(xué)主題，并將創(chuàng)建3D暗物質(zhì)地圖。羅曼的分辨率將與美國(guó)國(guó)家航空航天局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡一樣清晰，但視野要大100倍，使其能夠捕捉更廣闊的宇宙圖像。這將使科學(xué)家能夠繪制物質(zhì)如何在宇宙中構(gòu)成和分布的地圖，并探索暗能量如何表現(xiàn)以及隨時(shí)間的變化。羅曼還將進(jìn)行一項(xiàng)額外的調(diào)查來(lái)探測(cè)Ia型超新星
除了美國(guó)國(guó)家航空航天局的任務(wù)和努力之外，維拉·魯賓天文臺(tái)也準(zhǔn)備支持我們對(duì)暗能量日益增長(zhǎng)的理解。該天文臺(tái)得到了包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在內(nèi)的一個(gè)大型合作機(jī)構(gòu)的支持。地面觀測(cè)站預(yù)計(jì)將于2025年投入使用。
歐幾里德、羅曼和魯賓的共同努力將開(kāi)創(chuàng)宇宙學(xué)的新“黃金時(shí)代”，科學(xué)家們將收集比以往任何時(shí)候都更詳細(xì)的關(guān)于暗能量巨大奧秘的信息。
此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（2021年發(fā)射）是世界上最強(qiáng)大和最大的太空望遠(yuǎn)鏡，旨在為多個(gè)研究領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，并將為暗能量研究做出貢獻(xiàn)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局的SPHEREx（用于宇宙歷史、再電離時(shí)代和國(guó)際海洋考察理事會(huì)探測(cè)器的分光光度計(jì)）任務(wù)計(jì)劃不遲于2025年4月發(fā)射，旨在調(diào)查宇宙的起源。科學(xué)家們預(yù)計(jì)，SPHEREx收集的數(shù)據(jù)將有助于加深我們對(duì)暗能量的了解。SPHEREx將在近紅外光下觀測(cè)整個(gè)天空，包括4。5億多個(gè)星系。
美國(guó)國(guó)家航空航天局還支持一個(gè)名為暗能量探索者的公民科學(xué)項(xiàng)目，該項(xiàng)目使世界上任何人，甚至那些沒(méi)有受過(guò)科學(xué)訓(xùn)練的人，都能幫助尋找暗能量的答案。
*簡(jiǎn)短說(shuō)明*
最后，澄清一下，暗能量不同于暗物質(zhì)。它們的主要相似之處是我們還不知道它們是什么！