暗能量⽤来作为尺⼦会有意外发现?

作者: 蔺是杰、丁浙杰

来源: 中国科学院国家天⽂台

发布日期: 2024-06-01 10:50:08

本文介绍了天⽂学家如何通过DESI项⽬观测宇宙中的星系分布,并探讨了暗能量的性质及其可能的变化。文章详细描述了重⼦声学振荡的形成过程,以及如何通过星系分布来测量这些“泡泡”的⼤⼩。此外,文章还讨论了暗能量作为宇宙学常数的假设,以及DESI观测数据对其性质的挑战。

让我们先从两张图⽚出发。图1左图是天⽂学家对当前宇宙中星系分布的⼀个模拟,右图则是在⼀张平⾯上随机撒点得出的图⽚。显然,真实的宇宙看起来⽐随机撒点看起来具有更丰富的结构形态,像⼤脑中的神经⽹络,⼜像⾼空俯视下的夜晚都市。让我们换⼀张真实观测得到的星系分布图看⼀下。

图2是今年4⽉份DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument, 暗能量光谱仪器)项⽬发布的第⼀年观测结果,放⼤的部分是距离我们较近的亮星系样本(Bright Galaxy Sample)。乍看起来,图⽚中的星系分布的确有些许规律可循,但想简单⽤⼏句⽂字描述⼜乏善可陈。不过,这可难不倒聪明伶俐的天⽂学家。

通过对宇宙的合理预测以及扎实的统计分析,天⽂学家在宇宙物质演化中发现了⼀个固有模式——重⼦声学振荡(Baryon Acoustic Oscillations, BAO)。

标准宇宙学模型下,宇宙中的所有物质可以分为暗物质和重⼦物质两个组分。所有的物质都会产⽣引⼒并受到引⼒的作⽤。

但暗物质和重⼦物质的区别在于:暗物质只有引⼒的作⽤;⽽由质⼦、中⼦和电⼦等基本粒⼦构成的重⼦物质,除了受到引⼒的作⽤外,还会与光⼦耦合,受到光⼦辐射压的影响。对于宇宙学研究者⽽⾔,如果宇宙⼀⽚平坦,处处⼀样的话,那未免也太过⽆趣。事实上,宇宙在诞⽣初期各处都存在着量⼦涨落,导致宇宙中有的地⽅能量(物质密度)⾼些,形成势阱,有的地⽅能量(物质密度)低⼀些,形成势垒。

⽽正是这⼀点涨落,为物质的聚集提供了种⼦。

重⼦物质可不⽢于就这么“堕落”下去。它们与光⼦紧密结合在⼀起,就像⼀锅⼤杂烩的“热汤”。这锅“热汤”在引⼒作⽤下不断流⼊势阱中,但同时“热汤”在下落过程中迅速升温,光⼦产⽣的辐射压增⼤,这股辐射压⼒抵抗着“重⼦-光⼦”热汤进⼀步“堕落”⾄势阱深处的引⼒,并进⽽推动“热汤”向外膨胀。这样的过程会产⽣压⼒波或声波在“热汤”中传播,也就是所谓的重⼦声学振荡。

测量“泡泡”的⼤⼩,星系就是最好的示踪体。由于星系会趋向于形成在物质密度更⾼的地⽅,⽽声学视界的尺度上物质密度会⽐周围稍⾼⼀些。因此可以预测:距离⼀个星系约5亿光年处产⽣另⼀个星系的统计学概率会更⼤。要做这件事,天⽂学家要能精准测量宇宙中星系的位置。这个位置不仅包括天球上的⻆位置,还要精准测量红移以确定径向距离。

最早进⾏这项⼯作的是2000年开始的斯隆数字巡天项⽬,到⽬前已观测了20多年,测量出200多万个河外天体的⻆位置和红移,⽤于测量声学视界的信号。

为了解释宇宙加速膨胀的观测事实,天⽂学家引⼊了⼀种叫做“暗能量”的组分。但对于这个组分的真实物理性质,天⽂学家却知之甚少。⻓期以来。天⽂学家都假设暗能量是⼀个宇宙学常数,即其能量密度不随时间发⽣变化,均匀地填充在空间中。

然⽽,DESI第⼀年的观测数据却发现,暗能量的性质似乎会随着宇宙演化⽽变化,即动⼒学暗能量。假设暗能量的状态⽅程参数(即暗能量压强与密度之⽐)以ω=ω0+(1-a)ωa(a是尺度因⼦,随着宇宙膨胀⽽增⼤)的形式来描述,DESI的数据暗示暗能量与ω0=-1,ωa=0,的宇宙学常数描述有⼀定的偏离。

这表明暗能量的性质可能并不如天⽂学家以前设想的那么简单,或许蕴含着更加丰富的物理性质,具有更加有趣的物理起源。

UUID: bd529826-61b7-48bd-9a95-f71b6078c30b

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院物理所公众号-pdf2txt/2024/中科院物理所_2024-06-01「转」_暗能量用来作为尺子会有意外发现?.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0074 元