暗能量導致宇宙加速膨脹？弦理論能否幫忙解決？

2019-08-07 11:48 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

宇宙在不斷膨脹，但其確切的膨脹速度仍不清楚，到目前為止，只能用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡和其他類似儀器來估計。

此外，近年來，使用哈勃望遠鏡的天文學家揭示了估算宇宙膨脹率兩種主要技術(shù)之間的差異。從本質(zhì)上講，哈勃望遠鏡收集到的數(shù)據(jù)表明，宇宙膨脹的速度比從宇宙微波背景(CMB)觀測中推斷出來的要快得多。

這種被稱為哈勃膨脹的差異在物理學研究領(lǐng)域引起了越來越大的興趣，但迄今為止，試圖解決這個問題的努力都沒有成功。約翰霍普金斯大學和斯沃斯莫爾學院研究人員新提出并測試了一種可以解決哈勃望膨脹的替代模型。在發(fā)表在《物理評論快報》上的研究論文中，研究人員成功地應用了馬克·卡米奧科夫斯基(Marc Kamionkowski)先前提出的暗能量模型。盡管沒有成功，但之前嘗試解決哈勃膨脹讓我們大致了解了一個解決方案應該具有哪些特征。

與此同時，正致力于用宇宙學的可觀測物來測試弦理論結(jié)果，它預測了一個“公理”的存在，即，大量具有特殊物理性質(zhì)的極輕粒子。對這些粒子的物理性質(zhì)進行簡單修改，就能使它具備在哈勃膨脹背景下所需要的特性。因此科學家決定朝這個方向推進，并測試這種替代模式。如普朗克的CMB觀測和SH0ES H0測量，利用之前收集的數(shù)據(jù)，研究人員將早期暗能量(EDE)模型應用于哈勃膨脹。盡管暗能量約占宇宙能量密度的75%，但在目前的宇宙學理解中，暗能量一直是個謎。

1998年Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter和各自團隊在超新星觀測中首次發(fā)現(xiàn)了它。EDE的意思是，在宇宙學背景下，這些粒子就像暗能量的組成部分(即一種負壓力流體)，比目前暗能量出現(xiàn)的時間要早得多。這些粒子改變了宇宙在宇宙微波背景輻射光子發(fā)射前后的膨脹速度，這一數(shù)字比標準預測略高(約3%)。在研究中，Poulin和同事計算了存在EDE組成時CMB的樣子?？紤]到普朗克收集并用于計算的數(shù)據(jù)精確性，研究人員的預測相當詳細。

需要確切地弄清楚模型將如何表現(xiàn)、演化和波動，以及它將如何影響宇宙中最古老的光——宇宙微波背景，宇宙微波背景輻射很復雜，它的形狀必須用數(shù)字計算，所以我們在已有的代碼中添加了描述EDE的代碼，以便從宇宙微波背景輻射中提取宇宙學信息。Poulin, Karwal和同事使用一臺超級計算機對成千上萬種不同的宇宙學進行了采樣。這使得他們能夠確定最適合現(xiàn)有宇宙觀測的宇宙學，發(fā)現(xiàn)這個新的宇宙學模型，包括一個EDE組成，可以解決哈勃膨脹。

從本質(zhì)上說，研究人員觀察到，在遙遠的過去，宇宙膨脹率的一個微小的改變，如EDE產(chǎn)生的，可以解決哈勃膨脹關(guān)系。在研究中測試的實際模型可能只是一個所謂的玩具模型，在自然界中并沒有被實現(xiàn)。這沒有問題，因為在宇宙學中，真正重要的是這些粒子集合的動力特性(更準確地說，是它們的總能量密度和壓力)，而不是它們各自的微觀物理特性。事實上，在研究成果發(fā)表后，已經(jīng)有了對EDE的替代實現(xiàn)，其集合屬性與研究人員提出的相似。

總的來說，該研究有助于當前關(guān)于何時以及在多大程度上EDE必須具有動態(tài)重要性的理解，這將最終為開發(fā)更有效的宇宙學模型提供信息?？紤]到普朗克數(shù)據(jù)的準確性，一種在早期占宇宙能量密度10%的流體并不會顯著影響宇宙微波背景輻射，這一點非常重要，這表明它確實需要大量的數(shù)值計算。從這個項目中得到的主要結(jié)論是，反常的宇宙觀測可以幫助我們探索新物理學。這項研究啟發(fā)了其他研究小組研究類似的EDE模型，以解決哈勃膨脹問題。

在改進和理解EDE模型方面，還有很多研究工作要做，但也對解決哈勃膨脹的不同方案很感興趣。研究人員現(xiàn)在正計劃用幾種方法進一步測試模型，首先想用它來盡可能多地了解EDE的特性。事實上，雖然有許多可選的EDE模型，但這些模型產(chǎn)生的分辨率不如新模型產(chǎn)生的分辨率有效。想要了解的是為什么模型能產(chǎn)生更好的預測，因為研究人員的發(fā)現(xiàn)強調(diào)了數(shù)據(jù)對EDE特征的敏感性。

還想看看在宇宙可觀測物中是否有這些粒子的附加特征，例如已經(jīng)意識到下一代CMB實驗(如Simons天文臺和CMBS4)可以獨立于超新星觀測來測試這個模型。這意味著，人們可以毫不含糊地知道，這種液體在自然界中存在，但也表明，這些模型可以影響星系群的統(tǒng)計特性，對此進行了大量觀察。在未來，利用歐幾里得衛(wèi)星和LSST望遠鏡等空間儀器收集的新數(shù)據(jù)可以提高這組研究人員收集測量數(shù)據(jù)的準確性和范圍。研究人員認為，這些觀測結(jié)果也可能包含EDE指紋，盡管要準確預測這一指紋還需要額外的工作。