宇宙膨脹速率的加速被歸因于神秘的“暗能量”，暗能量約占宇宙的70%。牛津大學(xué)Rudolf Peierls理論物理中心的Subir Sarkar教授、與巴黎天體物理研究所、哥本哈根Niels Bohr研究所的合作者使用了對740 Ia型超新星的觀測，以表明這種加速是一種相對局部的效應(yīng)，即它是沿著我們似乎相對于宇宙微波背景移動的方向（表現(xiàn)出類似的偶極各向異性）。

雖然這種加速的物理原因還未可知，但它不能歸因于暗能量，因?yàn)榘的芰繒谒蟹较蛏显斐上嗟鹊募铀俣取?br/>

宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型基于宇宙圍繞所有觀測者是各向同性的假設(shè)，這個宇宙學(xué)原理是哥白尼原理的延伸——即我們不是特權(quán)觀察者。它為使用愛因斯坦廣義相對論的宇宙學(xué)模型數(shù)學(xué)構(gòu)造提供了巨大的簡化。然而，當(dāng)在這個框架內(nèi)解釋觀測數(shù)據(jù)時，會得出一個驚人的結(jié)論：大約70%的宇宙是由愛因斯坦宇宙學(xué)常數(shù)或更普遍的“暗能量”構(gòu)成。這被解釋為由于真空的量子零點(diǎn)能漲落，但相關(guān)的能量標(biāo)度是由H0（宇宙目前的膨脹率）設(shè)定。然而，這比粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（精確描述所有亞原子現(xiàn)象的成熟量子場理論）的能量標(biāo)度低1044倍。

因此，零點(diǎn)能波動具有巨大的能量密度，如果它們確實(shí)通過引力影響了宇宙膨脹率，那么它就會阻止宇宙達(dá)到現(xiàn)在的年齡和大小。對于這個宇宙學(xué)常數(shù)問題，必須加上“為什么是現(xiàn)在？”問題，也就是為什么暗能量直到接近目前才開始主宰宇宙？在早期，它可以忽略不計(jì)，特別是年齡在約40萬年歲的時候，當(dāng)原始等離子體充分冷卻形成原子和宇宙微波背景(CMB)輻射被釋放時(因此CMB對暗能量不直接起作用)。正是在這種背景下，2011年諾貝爾物理學(xué)獎的主要貢獻(xiàn)是：

兩組天文學(xué)家在1998年“通過觀察遙遠(yuǎn)的超新星，發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹”。這是基于對大約60顆Ia型超新星的觀察，但與此同時，樣本已經(jīng)增長，并且在2014年時，這些數(shù)據(jù)提供了散布在天空中的740個物體（聯(lián)合光曲線分析目錄）。研究人員觀察膨脹速率的推論加速度是否在天空中是均勻的。首先，計(jì)算出測量到的超新星紅移和視星等(在日心系中)，撤消了JLA目錄中對局部‘特殊’(非哈勃)速度所做的修正。這是為了確定它們在宇宙微波背景框架中的值。

暗能量

在宇宙微波背景框架中宇宙看起來應(yīng)該是各向同性的，以前的研究已經(jīng)表明，這樣的修正是值得懷疑的，因?yàn)槠嫣氐乃俣炔粫S著距離的增加而減弱，因此即使在十億光年之外。當(dāng)后面使用標(biāo)準(zhǔn)的最大估計(jì)統(tǒng)計(jì)量來提取參數(shù)值時，天文學(xué)家們有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)，超新星數(shù)據(jù)表明，統(tǒng)計(jì)顯著性為3.9cmb的推論加速中的偶極各向異性，與在局部移動的方向相同，這是由cmb中一個類似的偶極所指示。

相比之下，任何可以歸因于暗能量的各向同性(單極)加速度都是暗能量的50倍，并且在1.4σ時為零。根據(jù)貝葉斯信息準(zhǔn)則，最適合數(shù)據(jù)的實(shí)際上沒有各向同性分量。研究表明，能用來擬合超新星光曲線的參數(shù)紅移演化并不會改變結(jié)論，從而駁斥了先前對該方法的駁斥。其分析是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的，但支持克里斯托斯·Tsagas(塞薩洛尼基大學(xué))提出的理論，即當(dāng)我們不是哥白尼觀察者(通常假設(shè))，而是嵌入到附近星系“共享”的局部大塊流中時，加速度可能被推斷出來，這確實(shí)是觀察到。

這在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中是意想不到的，而且這種流動的原因仍然無法解釋。但除此之外，似乎加速度是局部流的產(chǎn)物，所以暗能量不能作為其原因。事實(shí)上，關(guān)于宇宙膨脹歷史的其他探測器，例如星系分布中重子聲學(xué)振蕩(BaO)的印記，最古老恒星的年齡，結(jié)構(gòu)的增長速率等，但這樣的數(shù)據(jù)仍然太稀疏，目前與非加速宇宙同樣一致。宇宙微波背景輻射中精確測量的溫度波動對暗能量并不直接起作用，盡管它的存在通常是從理論中推斷出來，即雖然宇宙微波背景測量宇宙的空間曲率接近于零。

但它的物質(zhì)含量并不等于使其接近零的臨界密度，然而，這只有在完全同質(zhì)性和各向同性的假設(shè)下才是正確的，這兩個假設(shè)現(xiàn)在都有問題。但未來很快就會取得進(jìn)展，大型天氣巡天望遠(yuǎn)鏡將測量更多的超新星，并確認(rèn)或排除減速參數(shù)中的偶極。暗能量光譜儀和歐幾里德衛(wèi)星將精確測量重子聲學(xué)振蕩和透鏡。歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡將在一段時間內(nèi)測量遠(yuǎn)源的“紅移漂移”，從而直接測量宇宙的膨脹歷史。

博科園｜研究/來自：牛津大學(xué)

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201936373

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