宇宙學(xué)家認(rèn)為,宇宙中是由73%暗能量+23%暗物質(zhì)+4%的可見物質(zhì)組成,除了可見物質(zhì)外這兩種形式的東西因?yàn)椴辉谖覀兊囊暰€之內(nèi),到目前為止也沒(méi)有直接被發(fā)現(xiàn)的證據(jù)存在,但客觀上通過(guò)其他形式的相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)其存在的必要性,一定意義上而言其實(shí)僅限于科學(xué)家的理論設(shè)想之內(nèi),但相關(guān)的研究和觀測(cè)從沒(méi)有停止過(guò)。 宇宙由暗物質(zhì)及暗能量組成的網(wǎng) 暗物質(zhì)雖然不可見但有辦法證實(shí)它的存在,那就是充分利用光線的偏轉(zhuǎn)特性來(lái)描繪暗物質(zhì)的存在。根據(jù)廣義相對(duì)論的理論描述任何一切有質(zhì)量(包括暗物質(zhì))的物質(zhì)都會(huì)有扭曲空間的特性,光線穿過(guò)被扭曲的空間會(huì)發(fā)生折射改變路線,偏轉(zhuǎn)的光線路徑被改變,就意味著光線發(fā)生了彎曲。那么能導(dǎo)致空間彎曲的物質(zhì)是什么呢?要么是可見的物質(zhì),要么是不可見的物質(zhì)------暗物質(zhì),暗物質(zhì)導(dǎo)致的空間彎曲如何顯現(xiàn)出來(lái)呢?彎曲度空間又是一種什么樣的狀態(tài)呢?被扭曲的空間其實(shí)就像水中的波紋漣漪,當(dāng)光線穿過(guò)時(shí)波紋漣漪會(huì)折射光線從而顯露出扭曲空間的光影,扭曲空間的光影其實(shí)就是暗物質(zhì)的存在狀態(tài)。 斯隆數(shù)字巡天觀測(cè)組(SDSS)使用哈勃對(duì)80億光年范圍觀測(cè)了近1000個(gè)小時(shí),對(duì)大半個(gè)宇宙中存在被扭曲了的空間進(jìn)行了定位測(cè)量,最終確定了暗物質(zhì)在宇宙中的位置及分布狀態(tài)。 暗物質(zhì)想象圖 科學(xué)家通過(guò)對(duì)暗物質(zhì)的存在形式及描述,確定了暗物質(zhì)存在的必要性和合理性,但新的問(wèn)題又接踵而來(lái)。假設(shè)暗物質(zhì)存在質(zhì)量就必然會(huì)產(chǎn)生重力,有重力存在的物質(zhì)必然會(huì)產(chǎn)生引力,而引力則會(huì)對(duì)其他物質(zhì)產(chǎn)生約束力。原則上我們都知道宇宙當(dāng)前正在加速膨脹,如果宇宙中暗物質(zhì)比例太多的話應(yīng)該會(huì)對(duì)擴(kuò)張中的宇宙產(chǎn)生阻止遏制膨脹的作用力才對(duì),宇宙膨脹的速度非但沒(méi)有減緩反而在加速。如果宇宙中暗物質(zhì)的存在有足夠多的話,宇宙就會(huì)由擴(kuò)張狀態(tài)向收縮狀態(tài)發(fā)展最后歸趨于零,也就是說(shuō)宇宙最終不復(fù)存在了。這顯然這不符合宇宙膨脹理論的描述,那么唯一可以解釋的通的就是宇宙中應(yīng)該還有一個(gè)更為神秘的力量,這個(gè)力量作為一個(gè)反作用力在維持著宇宙擴(kuò)張的動(dòng)力需求。 從暗物質(zhì)存在的合理性和必要性來(lái)看,科學(xué)家假設(shè)一旦宇宙中的暗物質(zhì)占據(jù)到足夠多的數(shù)量時(shí),就會(huì)形成一種制約宇宙膨脹的阻力,如果數(shù)量占據(jù)優(yōu)勢(shì)我們的宇宙就可能被逆向收縮導(dǎo)致坍塌湮滅。但現(xiàn)實(shí)下如何證明宇宙是在快速的暴漲而不是在收縮呢? 暗能量想象圖 索爾。波爾馬特,美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授,他領(lǐng)導(dǎo)著一支由物理學(xué)家和天文學(xué)家組成的國(guó)際科研小組,先后10年的科研經(jīng)歷,通過(guò)對(duì)超新星爆炸的跟蹤觀測(cè)最后確定了宇宙正在加速擴(kuò)張的結(jié)論。 要想測(cè)出當(dāng)前的宇宙是在減速還是加速,關(guān)鍵是要先測(cè)量出宇宙過(guò)去的膨脹速度有多快,再和現(xiàn)在的速度進(jìn)行比較就可以得出結(jié)論。問(wèn)題是要測(cè)出過(guò)去的速度就必須要找到更為合適的參照物進(jìn)行測(cè)量標(biāo)記,為此他們標(biāo)繪了可觀測(cè)宇宙中108億光年的古老星系的地圖。他們標(biāo)記了這些古老星系的距離和位置,然后剩下的問(wèn)題從尋找超新星爆炸為觀測(cè)目標(biāo)開始。 超新星爆炸 超新星爆炸是恒星死亡終結(jié)時(shí)的最后表現(xiàn)形式,爆炸時(shí)產(chǎn)生的亮光相當(dāng)于所在星系1000萬(wàn)個(gè)恒星亮度,作為觀測(cè)捕捉目標(biāo)來(lái)說(shuō)非常容易被發(fā)現(xiàn),但這類天體的爆發(fā)時(shí)間卻是無(wú)法預(yù)測(cè),這就意味著要擴(kuò)大搜索目標(biāo)范圍延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間才有可能成功。索爾的觀測(cè)捕捉目標(biāo)是1A型超新星,這類型的天體通常都是雙星系統(tǒng),一顆生命衰竭被演化成碳氧型白矮星,另一個(gè)內(nèi)部核聚變機(jī)制正常的主序星,兩顆伴星相互圍繞運(yùn)動(dòng)。白矮星因?yàn)樽陨砦镔|(zhì)燃燒殆盡產(chǎn)生大量的重金屬元素,密度增大內(nèi)部坍塌壓縮導(dǎo)致體積縮小成為地球般大小,但引力強(qiáng)大到吸收伴星的物質(zhì)來(lái)增加自身的質(zhì)量。當(dāng)白矮星吸附的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍時(shí)核聚變被重新開啟,當(dāng)吸附的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)3倍時(shí),碳原子達(dá)到了核聚變的臨界值條件隨即能量爆發(fā)將白矮星炸的尸骨全無(wú)只剩下一片塵埃和氣體。白矮星爆炸通常所發(fā)出的光亮度相同,所以成為眾多科學(xué)家研究宇宙的重要觀測(cè)對(duì)象,天文學(xué)上也被稱為“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”。但因?yàn)楸l(fā)時(shí)都是隨機(jī)不確定性的所以尋找起來(lái)非常麻煩。 索爾在可觀測(cè)宇宙中尋找目標(biāo),運(yùn)用宇宙地圖模型確定了108億光年的觀測(cè)范圍,并開發(fā)出了一套根據(jù)自己要求的搜索系統(tǒng),對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┏掷m(xù)性的觀測(cè)跟蹤搜索。通過(guò)不懈努力的觀測(cè)搜尋,最終確定了多個(gè)高價(jià)值目標(biāo),最后將目標(biāo)交給夏威夷的凱克天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,測(cè)量超新星的距離變化數(shù)據(jù),結(jié)果卻是令所有的科學(xué)家都大吃一驚。 白矮星吸附伴星物質(zhì) 索爾發(fā)現(xiàn)超新星的觀測(cè)距離數(shù)據(jù)與之前的位置坐標(biāo)無(wú)法匹配,位置在爆炸之后發(fā)生了位移距離變得更遠(yuǎn)了,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)比最后確定了結(jié)果,這意味著宇宙不是在減緩膨脹而是在快速膨脹,這個(gè)結(jié)果驚動(dòng)了當(dāng)時(shí)所有的天文及理論學(xué)家,索爾為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了,宇宙被證實(shí)正在加速擴(kuò)張,暗物質(zhì)的存在也似乎合情合理,那么導(dǎo)致宇宙大尺度擴(kuò)張的原因是什么?暗物質(zhì)為什么沒(méi)有對(duì)宇宙空間及其他物質(zhì)產(chǎn)生作用力呢?導(dǎo)致宇宙加速擴(kuò)張的是不是還有一種被隱藏的神秘力量而未被發(fā)現(xiàn)呢? 物理學(xué)中最主要的重力顯然是遇到了對(duì)手,而且這個(gè)對(duì)手遍及宇宙各處,無(wú)時(shí)無(wú)刻的都在與重力產(chǎn)生抗拒,但是無(wú)法觀測(cè)、發(fā)現(xiàn)或確定它的存在,為了自圓現(xiàn)有的理論體系它的存在十分重要,以至于這個(gè)設(shè)想的提出都顯得那么合情合理無(wú)法替代,這就是暗能量的學(xué)說(shuō)理論橫空出世的最佳時(shí)機(jī)。 空間中暗物質(zhì)分布 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中充斥著無(wú)窮無(wú)盡的反作用力,而產(chǎn)生發(fā)作用力的應(yīng)該是一種不被發(fā)現(xiàn)的神秘物質(zhì),因?yàn)椴豢梢娝詿o(wú)法發(fā)現(xiàn),干脆就先給它起個(gè)名字叫暗能量。是它跟物質(zhì)的重力產(chǎn)生反作用力,排斥了一切引力將宇宙推向擴(kuò)張的方向。這種物質(zhì)與暗物質(zhì)應(yīng)該是一對(duì)冤家,暗物質(zhì)在宇宙中存在的量是一定的,隨著宇宙在不斷地增大而其數(shù)量會(huì)被稀釋密度減小,重力影響就會(huì)有所降低。暗能量卻是無(wú)處不在,它穿行于宇宙各個(gè)地方也包括我們自身,在小的作用力場(chǎng)下不易顯現(xiàn),而在大范圍的作用力場(chǎng)下才可以發(fā)揮作用變得有意義。暗能量有一個(gè)較為特別的特性就是不像暗物質(zhì)那樣定量可以做到在宇宙增大效應(yīng)中被稀釋,它會(huì)隨著宇宙增大而增大不會(huì)減少。這其實(shí)正是暗物質(zhì)及其它可見物質(zhì)的重力作用會(huì)被暗能量的反作用力擊敗,從而導(dǎo)致反作用力的勝出將宇宙推向擴(kuò)張的方向。 對(duì)此可以看出,暗能量學(xué)說(shuō)是在補(bǔ)充宇宙暴漲的理論不足,它與暗物質(zhì)一起構(gòu)成理論體系的一部分。宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的建立將暗物質(zhì)與暗能量理論納入其理論體系,威爾金森微波各向異性探測(cè)器(WMAP)成為建立和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的重要服務(wù)角色,標(biāo)準(zhǔn)模型將暗能量定義為宇宙常數(shù),WMAP提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證支持,計(jì)算出宇宙年齡為137.72 ± 0.059億年,現(xiàn)在的宇宙膨脹速率(哈勃常數(shù))為69.32 ± 0.80 (公里/秒)/百萬(wàn)秒差距。宇宙的組成中有 4.628 ± 0.093%的一般重子物質(zhì),有24.02+0.88?0.87%既不吸收也不放射光的的冷暗物質(zhì)(CDM),71.35+0.95?0.96% 使宇宙加速膨脹的的暗能量。這些數(shù)據(jù)表明,一個(gè)加速膨脹的宇宙在暗能量的推動(dòng)下將成為無(wú)限的可能。 宇宙微波輻射圖 |
|
來(lái)自: 海中池 > 《宇宙說(shuō)》