暗能量仍是宇宙最大谜题

释放双眼,带上耳机,听听看~!
Stephen Battersby 文 Shea 编译

一种新的场,一种新的力,一种我们不知晓的力量?这就是占据宇宙三分之二的东西,但我们还是只能靠猜。

自打发现有一种神秘的东西在把宇宙撕扯开,这15年来我们一直在绞尽脑汁。但我们仍然不知道它是什么。它无处不在,却又无法被看见。它占据了超过三分之二的宇宙,但我们不知道它从何而来、又由什么构成。“大自然还一直没有准备好给予我们任何有关的线索,”美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说。

不过,我们至少为这个最神秘的东西起了一个名字:暗能量。现在,对它的追捕正在进行。今年底天文学家们将启动一项新的巡天来寻找这些位于爆炸恒星和古老星系团之间的东西的迹象。一系列的空间任务和地面上的巨大望远镜很快也会加入其中。同时,一些物理学家则正在探求一个非正统的想法:在实验室里诱捕暗能量。

暗能量仍是宇宙最大谜题
[图片说明]:宇宙演化历史。版权:N.R.Fuller/National Science Foundation。

迄今我们对暗能量仍所知甚少。所知道的也许只有三件事情。第一,暗能量表现为斥力。1998年我们第一次注意到了它,当时发现特定超新星爆炸的亮度出乎意料的暗淡,这告诉我们它们的距离远超过预期。从某一个时刻开始,空间似乎开始加速膨胀,就像受到了可抵御物质间引力的斥力所驱动一样。

第二,暗能量大量存在。星系的运动和成团能告诉我们宇宙中有多少物质,而大爆炸后38万年所发射出的宇宙微波背景辐射则能使我们知道宇宙中物质和能量的总密度。这第二个数字要比第一个大得多。根据包括来自欧洲空间局普朗克卫星微波观测在内的最新数据,宇宙的约68%是以非物质、表现为斥力的能量形式出现的。在每立方千米的空间中大约有1焦耳。

第三,暗能量让物理学家富于创造力的思维充满了活力。他们已经提出了数百种不同且充满想象力的理论。

其中最平淡当属宇宙学常数,不过即便如此它仍属于“狂野之物”。它是空间固有的能量密度,在爱因斯坦的广义相对论下会产生斥力。随着空间膨胀,它会越来越多,使得它的排斥力超过因物质日益分散而逐渐变弱的引力。粒子物理学甚至为它提供了一个起源:在不确定量子真空中不断出现和消失的虚粒子。但问题是这些粒子有着太多的能量——简单的计算可得每立方千米约为10120焦耳。

这一灾难性的差异为琳琅满目的其他替代理论留下了生存空间。暗能量可能是“第五元素”(quintessence,或译作“精质”),它是一种能渗透进空间、随时间改变甚至能在不同地方聚集的假想能量。或者它可能是一种修改的引力,在远距离上表现为斥力;又或者它是地球在宇宙中的位置所造成的错觉。暗能量可能是波长比可观测宇宙大万亿倍的无线电波,或者是任何更奇特的东西。

“许多聪明人都试图构想出比宇宙学常数更好的东西,或者去理解为什么宇宙学常数具有如此的数值,”卡罗尔说,“大致说来,他们都失败了。”

黑暗降临

做出裁决的一种方式是观测暗能量是否会随时间变化。如果它确实存在演化,那将排除宇宙学常数:作为空间的固有特性,其密度保持不变。与之相反,在“第五元素”的大多数模型中,随着空间的膨胀暗能量会慢慢地稀释——虽然在一些模型中它实际上会加强,加速宇宙的膨胀。在大多数修改的引力理论中,暗能量的密度也是会变化的。它甚至可以先上升后下降,或者反之亦然。

宇宙的命运完全取决于这一平衡。如果暗能量保持稳定,宇宙就会加速膨胀,把我们变成一个与宇宙的其他部分隔绝的孤立小岛。如果它会增强,那最终可能会把所有的物质都“撕碎”,或者甚至使得空间结构变得不再稳定。主要是基于对超新星的观测,我们今天最佳的估计是暗能量的密度相当稳定。有一种观点认为,暗能量正在缓慢增强,但其不确定性太大,目前还不必担心这一增长。

从今年9月起一个名为“暗能量巡天”的国际项目将开始收集数据,旨在对此施加更强的限制。它将使用智利托洛洛山美洲天文台口径4米的维克托·布兰科望远镜以及一个专门设计的红外照相机,由此在广大的天区中寻找暗能量的一些迹象。这一项目的主任、美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼(Joshua Frieman)说:“这虽不是世界上最大的望远镜,但它却有一个非常大的视场。”

一开始,这架望远镜将搜寻更多的超新星。这些爆炸恒星的视亮度能告诉我们它们发生在多久之前。在这些光向我们传播的过程中,它的波长会因宇宙空间的膨胀而被拉长,即红移。把这两样东西结合起来,我们就能知道宇宙随时间是如何膨胀的。

这一巡天还会绘制一幅复杂的天图,其中会标出几亿个星系的位置和到我们的距离。回荡在宇宙婴儿时期中的声波为巨大的超星系团赋予了一个特征尺度。通过测量超星系团的视大小,我们可以对宇宙膨胀的历史有一个新的视角。

放眼天空

这一天图也将会揭示出暗能量对较小尺度的影响。暗能量会阻碍星系聚集形成星系团。这个巡天计划将直接对星系团进行计数并使用引力透镜效应——星系团弯曲更遥远天体所发出的光线——来跟踪它们的生长。

这些不同的测量应该会给予我们一些暗能量是否会随时间而改变——如果确实存在的话——的线索。弗里曼说,他们的巡天可以把该结果中的不确定性削减到之前的四分之一。到2016年凭借其初步的分析就能开始甄别一些不同的理论模型。

几年之后,一个完整的暗能量探测团队就会出现。以美国为首的大型综合巡天望远镜将会在2021年睁开它的巨眼。大约在同一时间,诸如位于夏威夷的三十米望远镜以及同在智利的欧洲特大望远镜和巨型麦哲伦望远镜等其他巨型望远镜也会行动起来。在澳大利亚和南非建造的平方千米阵也会加入其中。通过观测氢云的射电辐射,它可以追踪宇宙的结构。2020年,欧洲空间局和美国宇航局计划发射一个名为“欧几里德”的暗能量探测卫星。借由观测引力透镜和星系成团,它可以探测甚至更早的宇宙时期。紧随其后不久,美国的大视场红外巡天望远镜可能就会发射。

通过空间来追溯暗能量虽惊心动魄,但它仍可以躲着我们。例如,我们也许会发现随着时间的推移暗能量的密度几乎保持恒定。这看起来似乎是支持了宇宙学常数,但它并不能排除一些恰好具有几乎恒定密度的“第五元素”场。即使我们发现暗能量密度会增加或减少,我们可能也无法分辨这是由于“第五元素”还是某种会改变的引力。

这导致一些物理学家提出在地球上来围捕暗能量。“如果你引入了一种新的场或者粒子来作为暗能量,那么它也会作为一种新的载力子,”在英国诺丁汉大学的克莱尔·伯雷奇(Clare Burrage)说。类似“第五元素”的东西会产生有别于引力、电磁力、弱核力和强核力的第五种基本作用力。这对于绝大多数的修改引力也同样适用。“但是,我们在太阳系内并没有看到第五种力,”伯雷奇说。

通常借由添加一个屏蔽机制来削弱太阳附近高密度环境中第五种力的强度,理论家可以摆脱这一症结。美国费米实验室的一个项目“GammeV”已经就位,正在搜寻一种被屏蔽的特殊暗能量,被称为“变色龙”。

到目前为止GammeV一无所获,但现在伯雷奇则试图在更大的范围和更高的灵敏度下来搜寻暗能量。和同在诺丁汉大学的同事埃德蒙·科普兰(Edmund Copeland)以及英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹(Ed Hinds)一起,他们想利用处于玻色-爱因斯坦凝聚状态的低温原子云来探测暗能量,这一低温原子云会在整体量子波下一起振荡。暗能量应该会使得这一振荡频率发生些许的降低。该小组计划把这一低温原子云一分为二,然后在其中一个附近放置一个高密度的物体。如果这一物体屏蔽了暗能量,那这两团原子云中的波就会脱离同步。而当把它们重新放到一起时,它们则会发生干涉。

电效应

在美国华盛顿大学,厄缶扭摆实验正在被用于探测其他形式的宇宙斥力。在一个理论中,小于一毫米的空间额外维度可能是暗能量的所在之处。它还可以在这些尺度上增大引力的强度。一种被称为对称子(symmetron)的被屏蔽“第五元素”会在小尺度上产生一个类似的额外力——厄缶扭摆应该可以显现出这一微妙的效应。

同时,在美国普林斯顿大学的迈克尔·罗马利斯(Michael Romalis)和美国达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)在今年初提出,如果普通的光子或电子可以感受到即便是非常微弱的“第五元素”,那么地球上的磁场应该会产生一个微小的静电电荷。虽然任何为之设计的设备都必须非常的精密,但这种效应却可能是易于探测的(arxiv.org/abs/1302.1579)。

卡罗尔指出,我们还可能会在太空中看到另一种电磁效应。如果光子与暗能量相互作用,当它们穿行于宇宙中时其偏振会发生旋转。如果普朗克团队在几年后公布测量到宇宙微波背景辐射光子的偏振时,他说:“可以想象他们会宣布,他们已经探测到了‘第五元素’。”然后,在我们可以松口气——我们周围的空间不会坍缩进一种新的不良状态——之前,我们可能还要不安地等上十年或二十年,用望远镜来探测暗能量很可能会倒向哪一边。

很少有人认为这一探索很快就会结束。“暗能量是最大的谜团之一,我并不指望能活着看到它被攻克,”美国俄勒冈大学的斯蒂芬·许(Stephen Hsu)说。经过15多年的困惑,我们对暗能量是什么仍没有任何线索。但光明的一面是,就这些线索可能在哪儿我们已经有了一些线索。

[New Scientist 2013年5月13日]

 

内容来自 火流星

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