宇宙学

暗能量及其替代品

十年前,我们发现宇宙的膨胀正在加速。为了解释这一点,宇宙学家引入了一种新形式的能量,暗能量。但这仍然是个谜。我们应该彻底审查宇宙学模型吗?

格哈德·伯纳 科学档案N°71
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尽管在过去的20年中取得了巨大的进步,但宇宙学家们不得不接受这样一个事实,即我们对宇宙的理解中的许多空白远未填补。宇宙的某些属性,例如其膨胀,年龄和平均密度,是众所周知的,但其内容仍然令人困惑。

我们所熟悉的材料-重子-仅占不到百分之五的一部分,即氢,氦,碳和其他化学元素,它们构成了太阳,地球。和我们自己。约有21%的物质对应一种未知的物质,称为黑色,其行为就像是由大颗粒形成,并且与电磁辐射几乎没有相互作用,因此保持不可见。最后,据说宇宙中的大部分内容(将近74%)是未知的均匀分布在太空中的东西:暗能量(或暗能量)。而且与暗物质不同,它似乎无法用颗粒来描述。

这种黑暗的能量被赋予负压。它起反重力的作用,促进宇宙膨胀,而物质的引力使它减速。重子物质和暗物质随着空间的扩大而稀释,而暗能量的密度几乎保持恒定。

暗能量的真正本质是什么?没有它,我们能做到吗?我们将给出一些答案。

从务实的角度来看,暗能量是引入标准宇宙学模型的额外数量,以使其适应天文观测。爱因斯坦早在1916年就已经在他的方程式中引入了一个特殊参数,即“宇宙常数”。他想建立一个符合他信念的静态宇宙模型。为此,物质的引力必须通过排斥力来补偿。宇宙常数恰好对应于这种排斥。然而,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1920年代发现,星系彼此远离,这表明宇宙正在膨胀。同时,物理学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)和佳能(GeorgesLemaître)独立地表明,在没有宇宙学常数的情况下,爱因斯坦的广义相对论方程导致了宇宙膨胀模型的产生。因此,爱因斯坦拒绝了他的最初想法,并提出宇宙常数为零。

不断做每一件事

始终不遵循此建议,因为只要宇宙模型与数据明显冲突,宇宙常数便会派上用场,以通过适当调整其值来解决这种情况。例如,在1990年代,球状星团中的某些恒星似乎比宇宙更老。通过引入一个正的宇宙常数以增加宇宙的年龄,这种分歧被消除了。但是,更好的恒星模型和更精确的观测结果导致这些恒星的年龄被向下修正,宇宙常数再次被抛在一边。

但是,自1998年以来,宇宙常数重新出现。哈勃发现,与靠近地球的系统相比,星系的光谱发生了红移-原子元素的特征线移到了更长的波长。银河系越远,这种偏移就越大。这意味着银河系正在远离我们,并且它们远离的速度更快-好像这些移动是多普勒效应的结果,但是所涉及的现象更加复杂,并且涉及到空间(请参阅《大爆炸悖论》,作者C. Lineweaver和T. Davis,第14页)。哈勃因此提出了现在以他的名字命名的定律,即两个星系以与它们之间的距离成比例的速度彼此远离。比例常数是哈勃常数,表示为 h0.让我们指定它不是一个常数,因为它在宇宙历史的过程中发生了变化。

哈勃常数很难测量,因为为了准确确定红移和远程之间的关系,必须进行可靠的距离测量。但是,很长一段时间以来,遥远的星系都没有这种情况。

天文学家很早就想到了使用称为超新星的恒星爆炸 I在。它们是白矮星的热核爆炸,是紧凑的恒星,聚集了地球直径范围内的太阳质量。通常它们很稳定,当它们将从伴星中撕裂的物质累积到超过所谓的Chandrasekhar质量极限(相当于大约1.4太阳质量)时,就会爆炸。类型的超新星 Ia非常明亮,因此即使在遥远的星系中也可见。它们以强烈的光芒发光了几个星期,然后减弱了几个月。

这些超新星的兴趣在于,原则上它们都具有相同的质量和相同的结构,因此具有相同的固有发光度。因此,它们通常被称为“标准蜡烛”:更确切地说,它们不具有完全相同的发光度,但是根据经验关系,将根据其发光度曲线的形状给出最大发光度。因此,它们是相当“可校准”的蜡烛。已知的固有发光度,其距离是从观察到的发光度推导出的。

问题加速

为了表征空间扩展的速度,我们比较了在不同时间发生的不同Ia型超新星的距离。在实践中,这项任务非常艰巨,因为这些事件很少发生(每个星系和每个世纪大约发生一次!),而且因为我们必须用已知距离的超新星校准峰与光度曲线之间的关系。别处。由于近年来取得的进展,遥远星系的距离现在的测量精度约为百分之十。

因此,以每秒10兆秒每秒70公里的速度(以每秒130万兆秒的速度计算),以10%的相同精度评估了哈勃常数。被扩张潮带带走的,一个位于100兆秒差距的星系正以每秒7000公里的速度远离我们(我们必须增加其自身的运动)。

但是,在1998年,几支研究小组表明,最遥远的超新星不那么明亮,也就是说,比他们的红移所暗示的更遥远。换句话说,自从这些超新星爆炸以来,宇宙的膨胀速度肯定要比当时的情况(当时的膨胀速度要慢)要快。

这种膨胀的加速可以在爱因斯坦广义相对论的宇宙学模型中通过正的宇宙常数来重现,该常数作用于宇宙的尺度上作为膨胀的动力(与引力不同) ,它倾向于重新组合物质,因此减慢了扩展速度)。最好地重现测量值的模型涉及不到30%的“有吸引力”物质(经典物质和暗物质),而超过70%的恒定密度能量(由宇宙常数表示)。

另一个偏见,即宇宙本底辐射的测量,证实了这一革命性的结果。 1964年,贝尔实验室的亚诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现了这种以相同强度在各个方向浸透空间的微波辐射。它的光谱是黑体的光谱:它见证了与环境处于热平衡状态的物体。 1992年,卫星 科比 (宇宙背景浏览器)的 美国航空航天局 已经表明,扩散底部温度为2.728开尔文。

漫射背景的起源是什么?在其历史的开端,宇宙是如此炽热而密集,以至于原子核和电子被分离了。光子不断地被自由电子散射。但是,空间的膨胀导致该等离子体逐渐冷却,当温度达到约3000开尔文时,电子在原子核处重新结合形成原子,并释放出辐射。宇宙学的扩散背景无非是宇宙历史上发射的第一束辐射,此后一直自由传播并已通过宇宙膨胀冷却。

在漫反射的背景中阅读

在卫星绘制的宇宙漫射背景图上 科比,出现的斑点对应于几十微开尔文的温度变化,即每十万分之一。然而,卫星的角分辨率太低,无法显示出小结构。

它的后继者,卫星 wmap 威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)于2001年发射,绘制了宇宙弥散背景,其定义约为12弧分(占满月直径的40%)。绘制的地图 wmap 显示出较小的角温度变化。这些起伏可能是宇宙中星系和其他大型物质结构的种子。

可以分解宇宙扩散背景的温度变化信号,以根据波动的尺度揭示波动的幅度,这称为功率谱(请参见上页对面的图) )。

这些波动是在散布背景发出之前穿过宇宙的振动的反映。当时,物质自身的重力坍塌与光子的辐射压力之间的斗争在热等离子体中产生了振荡。这些密度波动导致温度变化,该温度变化在电子与原子核复合期间保留在扩散背景中:观察扩散背景的温度波动是观察电子中的密度波动。原始宇宙。

漫射背景的功率谱中出现几个峰值,主要的一个峰值约为1度。它们的起源是什么?我们首先计算声波从宇宙大爆炸到重组所能传播的最大距离。这个距离称为声界,它告诉我们有关宇宙的几何形状。确实,我们看到给定长度的角度取决于其距离和空间曲率。对于相同的距离,正曲率的角度大于零曲率的角度,而在负曲率的情况下较小。但是,今天这种声音水平在弥散背景中以一度的大小波动形式可见。知道了它的大小,它的距离(弥散背景的距离,即可观察到的宇宙的半径)以及可以看到声层的角度,我们可以推断出空间的曲率几乎为零。换句话说,空间的几何形状是平坦的(或“欧几里得”)。

零曲率会影响宇宙的内容:根据广义相对论,时空的几何形状取决于其能量含量。为了使曲率为零,质量和能量的总密度必须达到由哈勃常数确定的临界值。准确的扩散背景分析表明,总能量与该临界值的相差不超过2%。

帐户不存在

漫射背景的涨落的功率谱的整体结构可以指定宇宙的物质含量。例如,由于重子物质相对于暗物质的密度高,所以波动更加明显。在功率谱中的第一和第二峰值的幅度中发现了这种关系。因此表明,宇宙中暗物质的含量是重子物质的约六倍。这些值与其他天文测量值特别是与核合成有关的那些值一致。

如果重子物质和暗物质是宇宙的唯一内容,曲率为零,则应归因于临界密度,因此也应归因于哈勃常数,该值远低于今天观察到的值。为了调和漫反射背景和哈勃常数的测量带来的约束,因此我们引入了宇宙的附加组成部分。最自然的是一个正的宇宙常数,它协调了膨胀的加速和临界密度。因此,它必须是恒定密度或几乎等于0.74(相对于临界密度)的能量形式。由此推论,物质的总密度约为0.26,其中重子物质为0.05,暗物质为0.21。

总而言之,漫射背景和宇宙膨胀测量的结合告诉我们,宇宙是平坦的,已知物质仅占其含量的百分之五,而21%是神秘物质。黑色,其余74%由甚至更神秘的“暗能量”组成。后者决定了宇宙的当前和未来扩展。

暗能量的本质

在爱因斯坦的思想中,宇宙常数本质上是纯粹的几何形状。但是暗能量的真正本质是什么?引入后不久,物理学家注意到它可以用真空能来解释。在量子理论中,真空永远不会真正是空的,而是浸在零平均值附近的波动场中,这会产生一定的非零能量。物理学家还没有计算该真空能所需的理论工具。但是,第一次尝试给出的值要大10倍 120 由天文测量得出的暗能量密度。在所谓的超对称理论的框架内,这种差异降至60个数量级,虽然更好,但仍然太大!如果宇宙学常数为零,那么这种矛盾就很明显了:我们应该解释为什么真空能的高理论值在宇宙中没有可观察到的对应物。没有人知道如何用这种精确度来补偿他的贡献。统一广义相对论和量子物理学的有效的量子引力理论也许可以解决数量级偏差的问题。

我们还有什么其他线索?由于其他原因,一些人引入了“景观”的概念,其中不同的区域具有不同的物理定律,尤其是宇宙学常数。因此,我们将发现自己处于宇宙常数弱的宇宙中,因为这种条件允许观察者的存在。但是,这种要求人为原则的方案很难测试。

其他天体物理学家已经提出宇宙常数是一个未知的场的散发,该场被称为奎特森斯,被认为是随时间变化的。如果是这样的话,与宇宙常数……的恒定假设相比,观测结果可能会突出宇宙膨胀的不同演变(例如,更明显或更相反)。但是目前,精度不断提高的测量要求采用恒定的能量密度(请参见Ch。Pichon和T. Sousbie的Mapping the 宇宙e,第76页)。

从量子物理学的成就来看,解释暗物质和暗能量的最自然的候选者,首先是新的基本粒子,其次是真空或假设场的能量。 。人们还可以想象对已知的成分感到满意​​,并修改了物理学的基本定律,特别是重力定律。

有许多引力的替代理论。尽管大多数很快就被丢弃了,但有些值得关注。为了解释星系和星系团的动力学而不求助于暗物质-历史上为此而引入-以色列物理学家Mordehai Milgrom于1980年代初提出,将牛顿的引力相互作用定律修改为很远的距离。确实,这只是在太阳系的规模上进行了实验验证。在他的理论中说 世界 (修改的牛顿动力学),对于低加速度,通过比牛顿定律弱的力产生相同的加速度。

我们应该回顾一下重力吗?

理论 世界 虽然可以正确地复制大多数星系的旋转曲线,但是它有一个主要缺点:不遵守动量守恒定律,并且该理论无法解释星系团的动力学。另一个问题是它是一种非相对论的理论,因此不适用于宇宙论。

2004年,耶路撒冷希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦(Jacob Beckenstein)发表了该理论的相对论版本 世界,简称为张量向量标量理论 teves。就像爱因斯坦的相对论一般理论一样,它是引力的几何形式。在广义相对论中,所谓的度量张量在每个点上描述了时空的几何特性。它是根据物质和能量的分布通过爱因斯坦方程计算的。理论上的新颖性 teves 是引入了一个额外的“标量场”,它确定了每个点上的引力场以及矢量场的强度,即使在不存在该场的情况下,它也能揭示度量对轨迹的影响问题。

在有限的高速和加速度情况下,理论 teves 再现广义相对论;在低速和低加速度的情况下,它等同于牛顿引力;对于非常微弱的加速度,它加入了理论 世界.

理论 teves 当然,这是解决宇宙学问题的合适框架,但临时引入的其他领域赋予了它人造的特征。爱因斯坦的广义相对论更为优雅,并完美地解释了从毫米到太阳系尺度发生的现象。

然而,最令人讨厌的是,这些理论 世界, teves 为避开暗物质问题而建立的类似物及其对暗能量没有任何答案。

在其他可供选择的理论中,共形引力理论可以弥补这一不足。这个想法是,在宇宙尺度上,重力实际上是排斥的,而局部地当然仍然具有吸引力。宇宙膨胀的加速将是引力的表现,而不是假设的暗能量的结果。但是,对这一理论的未来进行预测还为时过早。

还有另一种可能性。如果遥远的超新星很难连贯地适合标准宇宙学框架,也许该框架本身不适合?

标准宇宙学模型基于弗里德曼宇宙的模型,该模型是同质的并且处于不断扩展的状态。该模型背后的假设是物质在空间中的分布是均匀的。但是,实际分布是​​不均匀的:恒星被分组为星系,星系被分为簇,簇集为围绕着相对较大的空泡的物质细丝。弗里德曼模型中执行的近似值正确吗?

根据广义相对论,质量作用于时空几何。因此,星系,星系团和其他大型结构局部地弯曲时空。但是,宇宙学家试图描述整个宇宙,而不关注其局部特性。为此,他们借助爱因斯坦方程来计算在物质平均密度的作用下空间整体几何形状的演变(请参见对页中的图)。

平均值问题

从数学的观点来看,与先验平均的数量有关的方程式的分辨率可以得出与具有真实数量的这些相同方程式的分辨率截然不同的结果,该平均值是在解上进行后验计算的。

现在有几个团队正在研究物质分布中的异质性对时空几何学的影响(请参阅 异质宇宙学,由T. Clifton和P. Ferreira,第106页)。但是,不是直接解决爱因斯坦方程式中物质的真实分布的问题(今天太复杂了),有些宇宙学家试图描述后验特征,即物质的实际密度对物体几何形状的反馈。均匀宇宙,是根据平均密度先验计算得出的。

我们可以将均匀的宇宙想象为以规则方式伸展的弹性表面。光滑表面处于恒定膨胀状态,其曲率零为常数。现在想象一下,星系是放置在表面上的小球。随着彼此的扩大,它们彼此远离。仔细观察,该表面不再光滑:每个星系的质量使它稍有变形,形成一个小的局部空洞。宇宙被压倒了。

我们可以通过计算有限范围内的平均值并将其替换为一个等效的较软的变形,来计算这些微小变形对宇宙整体曲率的影响。实际上,重力具有无限范围,我们不能将异质性的影响限制在平滑区域。我们必须将其应用于整个时空。

因此,在全球范围内,时空被物质分布中的异质性的平均贡献所改变。对于与可观察到的宇宙相当的宇宙区域,异质性的平滑导致在平均密度上增加一个附加项,记为Q。在某些条件下,该修正项可能对应于局部膨胀的加速,从而再现了暗能量效应。

现在,许多物理学家正在研究这一轨迹,南非理论家乔治·埃利斯(George Ellis)最早引起了人们的关注。里昂大学的托马斯·布彻特(Thomas Buchert)强调了对校正项Q进行连贯处理的重要性。对异质性影响的正确定量描述需要考虑广义相对论的非线性项,到目前为止,该计算无法进行所有努力。

布彻特(Th。Buchert)还表明,当考虑具有周期性边界条件的有限体积中的非均质性时,项Q为零,也就是说,计算是在有限空间中进行的,重复进行一步步。由于当前所有关于宇宙结构形成的数值模拟都基于这种方法,因此我们无法证明异质性的可能影响。

还有很多工作要做,以表明异质性处理是否可以替代暗能量。从宇宙学模型中去除这种神秘的成分将是向前迈出的一大步,但是计算量子真空能及其补偿的问题仍然存在。

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