中国科学院高能物理研究所

宇宙加速膨胀的推手 (2017-03-13 11:10:11)

标签： 杂谈

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　　1、宇宙正在加速膨胀

　　北京时间2011年10月4日，瑞典皇家科学院将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P。 Schmidt和美国科学家Adam G。 Riess，以表彰他们一项震惊世界的科学发现：宇宙正在加速膨胀！

　　在介绍加速膨胀之前，我们先简要地回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年，美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后，惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象，星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们（见图2A、2B）。哈勃还发现，天体退行速度与它们离我们的距离成正比，即。这就是著名的哈勃定律，其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应，这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界，甚至让很多人不安。千百年来，人们一直相信宇宙是静态的，这个信念却被哈勃的发现彻底粉碎。人们很希望宇宙的膨胀是在减速进行，这样宇宙的未来还有可能是静态的。

　　这个美好的愿望与爱因斯坦相对论的预言不谋而合。根据爱因斯坦提出的广义相对论，时空的性质由所属的物质分布和性质所决定。由爱因斯坦场方程

　　我们可以清楚看到，宇宙的加速度，即宇宙标度因子对时间的二阶导数，与宇宙中总的能量密度与三倍的压强之和反号。传统理论认为宇宙中只有物质，因此总的压强为0，总的能量密度为正，则宇宙只能在引力的影响下减速膨胀。

　　在实验观测上，要了解宇宙在过去不同时刻的膨胀率，进而确定宇宙的膨胀是加速还是减速，就需要测量更遥远天体的距离和红移的关系。天体的红移可以通过其光谱直接测量，但是测量天体与我们的距离却非常困难。天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度（它们和天体的星等相联系）来推断距离。因此，在测距过程中要选取那些具有已知的绝对亮度的天体作为观测对象，这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度，并利用亮度与红移（或者星等与红移）的关系，我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系（见图2C）。

　　宇宙中确实存在我们需要的标准烛光：Ia型超新星（SN）。此类超新星是双星系统中，白矮星吸积物质，或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮，在短短几周内，其亮度可以与整个星系相比拟，在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力，由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现，宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗（见图2E）。这个观测证据表明，宇宙的膨胀正在加速！

　　除超新星以外，重子声波振荡（BAO）是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期，重子物质与光子紧密耦合，并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀，温度降低，这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离，直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射（CMB）时期。从此光子与重子不再相互作用，声波振荡过程结束，星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上，即BAO尺度（示意图见图3A）。BAO尺度大约为150兆秒差距（约4.9亿光年），具体数值依赖于宇宙学参数。观测上，我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目（宇宙学上称为星系的两点关联函数）测量BAO尺度，进而测量宇宙学参数。由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响，而且BAO测距几乎不受系统误差影响，BAO被称为测量宇宙几何的标准尺（示意图见图3B）。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天（SDSS）。其第三期的重子声波振荡光谱巡天（BOSS）通过测量一百万条星系光谱，首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平（Alam et al。， 2016， arXiv：1607.03155），并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号，为宇宙学研究提供重要观测支持（Zhao et al。， 2016， MNRAS， 466，762）。BAO的观测独立地表明，宇宙确实正在加速膨胀！

　　宇宙标准烛光、宇宙标准尺以及CMB在限制宇宙学参数方面高度互补。图3C显示，结合SN、BAO和CMB的观测数据，目前宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供，约25%的能量由一种称为暗物质的未知物质形式提供，而我们熟悉的普通物质只占总能量的5%左右。

　　2、暗能量是什么

　　由前文谈到的爱因斯坦场方程