“疑問(wèn)遠(yuǎn)比答案來(lái)得多。”?

配圖說(shuō)明：一幅插畫(huà)形象地展示了宇宙后期，宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸瓦解的場(chǎng)景。圖源：Robert Lea (由Canva制作)

暗能量可能有個(gè)“幫兇”，一起拖慢了宇宙大型結(jié)構(gòu)（比如由星系團(tuán)組成的巨大超星系團(tuán)）的成長(zhǎng)速度。

一項(xiàng)對(duì)天文數(shù)據(jù)的分析表明，可能有未知的物理機(jī)制在起作用，幫助暗能量扮演著近乎“反重力”的角色。它抵消了引力的作用——要知道，引力可是負(fù)責(zé)把物質(zhì)聚攏、建造這些龐然大物的功臣。

宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)指的是由星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán)組成的龐大互聯(lián)圖案，它們像絲線、空洞和墻壁一樣排列，構(gòu)成了所謂的“宇宙網(wǎng)”。數(shù)十億年來(lái)，引力一直在塑造這個(gè)結(jié)構(gòu)。但研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相比遙遠(yuǎn)的138億年前，如今這個(gè)結(jié)構(gòu)形成的速度變慢了。

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配圖說(shuō)明：來(lái)自“星系演化與環(huán)境集合”(EAGLE)項(xiàng)目的宇宙網(wǎng)可視化圖像。圖源：EAGLE項(xiàng)目

研究人員通過(guò)分析“重子振蕩光譜巡天”（BOSS）項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了這些線索。

BOSS項(xiàng)目測(cè)繪了發(fā)光紅星系（LRG）和黑洞驅(qū)動(dòng)的類星體的空間分布，目的是探測(cè)早期宇宙的物質(zhì)密度變化（稱為“重子聲波振蕩” ）。這些振蕩的信息被“凍結(jié)”在一種叫做“宇宙微波背景輻射”（CMB）的宇宙化石里。

“我們發(fā)現(xiàn)，BOSS巡天觀測(cè)到的星系顯示，現(xiàn)今宇宙的結(jié)構(gòu)形成速度比預(yù)期的要慢，”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、普林斯頓大學(xué)研究員陳世帆（Stephen Chen 音譯）稱?！皩?shí)際上，我們的結(jié)果表明，這種減緩似乎與暗能量本身關(guān)系并不大?！?/p>

?為什么暗能量可能不在單干？?

暗能量是科學(xué)家給“任何導(dǎo)致宇宙加速膨脹的東西”起的臨時(shí)名字。它是在1998年由兩個(gè)獨(dú)立的天文團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的，被認(rèn)為占宇宙總能量和物質(zhì)組成的約70%。

目前對(duì)暗能量的“最佳解釋”是“宇宙學(xué)常數(shù)”（用希臘字母Lambda, Λ表示），它包含在宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（也稱為Λ冷暗物質(zhì)模型，ΛCDM）中。

配圖說(shuō)明：一個(gè)展示宇宙物質(zhì)-能量組成的餅圖 圖源：Robert Lea (由Canva制作)

宇宙學(xué)常數(shù)代表“真空能量”，或者說(shuō)“空無(wú)一物的空間所具有的能量”。這聽(tīng)起來(lái)非常奇怪，因?yàn)樗c成對(duì)的物質(zhì)和反物質(zhì)粒子在瞬間憑空出現(xiàn)又消失有關(guān)。如果一個(gè)物質(zhì)粒子和一個(gè)反物質(zhì)粒子在有限空間內(nèi)被制造出來(lái)（它們能量相等但性質(zhì)相反），那么這個(gè)空間的總能量實(shí)際上還是零。

這有點(diǎn)像宇宙的“透支額度”——不過(guò)借的不是錢(qián)，而是能量。但就像銀行一樣，宇宙最終要求歸還能量，于是這些虛擬粒子就通過(guò)彼此湮滅來(lái)還債。

這意味著“空無(wú)一物的空間”永遠(yuǎn)不能保證真的空無(wú)一物。

盡管“物質(zhì)憑空出現(xiàn)”聽(tīng)起來(lái)瘋狂，但我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了它。全球?qū)嶒?yàn)室都觀測(cè)到的“卡西米爾效應(yīng)”，就是虛擬粒子及其產(chǎn)生的量子漲落（從而產(chǎn)生真空能量）的一個(gè)著名例子。

配圖說(shuō)明：動(dòng)畫(huà)展示“空”的空間其實(shí)從不真空，虛擬粒子不斷憑空出現(xiàn)又消失。圖源：Derek Leinweber

關(guān)鍵點(diǎn)在此：如果暗能量就是宇宙學(xué)常數(shù)，那么它就應(yīng)該?永恒不變?。所以在ΛCDM模型中，盡管暗能量引起了宇宙膨脹速度的變化，但這個(gè)常數(shù)本身不該改變。

然而最近，“暗能量光譜儀”（DESI）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了異常，暗示暗能量可能?隨時(shí)間變化?，這在宇宙學(xué)家中引起了轟動(dòng)。這種變化的或稱為“動(dòng)態(tài)暗能量”的現(xiàn)象，與ΛCDM模型矛盾。

“DESI的最新結(jié)果表明，暗能量可能不是宇宙學(xué)常數(shù)，而是會(huì)隨時(shí)間演化——我們很好奇，這種與ΛCDM模型的矛盾是否與我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)形成減緩有關(guān)，”陳世帆說(shuō)。

但事與愿違，用BOSS數(shù)據(jù)核對(duì)DESI的結(jié)果，反而給團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了更大的謎團(tuán)。

?暗能量和宇宙學(xué)常數(shù)?

不管暗能量到底是什么（是宇宙學(xué)常數(shù)也好，別的也罷），時(shí)空的膨脹只作用于極其巨大的尺度。所以放心吧，你眼前的咖啡杯是不會(huì)被“撐大”的。

然而，我們確實(shí)能看到遙遠(yuǎn)的星系正以越來(lái)越快的速度遠(yuǎn)離我們。我們還能在那些“凍結(jié)”在宇宙微波背景輻射（CMB）中的重子聲波振蕩（BAO）波動(dòng)里觀察到它們的影響。因?yàn)檫@束來(lái)自大爆炸后不久事件的“化石光”，幾乎均勻地灑滿了整個(gè)宇宙。

因此，暗能量作為一種推開(kāi)星系的力量，在阻止像星系團(tuán)和超星系團(tuán)這樣的大型結(jié)構(gòu)形成方面發(fā)揮作用，也就不足為奇了。陳世帆（Stephen Chen）及其同事研究結(jié)果的非凡之處在于，他們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)數(shù)量甚至比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM模型）和允許暗能量變化的所有預(yù)期都要少得多。這意味著還有別的、新的未知機(jī)制在起作用，其身份尚不明確。

“對(duì)于為何觀測(cè)到的晚期宇宙結(jié)構(gòu)規(guī)?？偸锹缘陀陬A(yù)期值，學(xué)界已經(jīng)提出了許多不同的理論解釋，”陳世帆表示，“但目前還沒(méi)有確切的答案。”

配圖說(shuō)明：暗能量驅(qū)動(dòng)下的宇宙膨脹，星系如同膨脹氣球表面的點(diǎn)相互遠(yuǎn)離。圖源：Robert Lea (由Canva制作)

不過(guò)，關(guān)于大規(guī)模宇宙結(jié)構(gòu)形成減緩的線索并非全無(wú)頭緒。這種減緩似乎發(fā)生在暗能量開(kāi)始主導(dǎo)宇宙的同一時(shí)期。

?當(dāng)物質(zhì)統(tǒng)治宇宙時(shí)?

暗能量如今可能統(tǒng)治著宇宙。但情況并非一直如此。大爆炸之后，宇宙首先由輻射主導(dǎo)，驅(qū)動(dòng)了其急速的膨脹。

大約在大爆炸后7萬(wàn)年，宇宙冷卻到足以讓引力壓倒輻射壓力。這減緩了最初由大爆炸驅(qū)動(dòng)的膨脹，使其幾乎停止，這時(shí)第一批物質(zhì)聚集物、恒星和星系才得以形成。

大約在大爆炸后90到100億年（距今約40到50億年前），奇怪的事情開(kāi)始發(fā)生。宇宙?再次開(kāi)始膨脹?。不僅如此，這次的膨脹開(kāi)始?加速?，并且至今仍在加速中。

這便是?暗能量主導(dǎo)時(shí)代?的開(kāi)端；問(wèn)題在于，無(wú)人知曉從物質(zhì)主導(dǎo)到暗能量主導(dǎo)的“開(kāi)關(guān)”是如何發(fā)生的。

配圖說(shuō)明：基于大爆炸理論和暴脹模型的宇宙時(shí)間線示意圖。圖源：NASA/WMAP

“BOSS數(shù)據(jù)探測(cè)的是暗能量剛開(kāi)始發(fā)力的宇宙時(shí)期，我們認(rèn)為這種減緩不可能比那個(gè)時(shí)期早太多發(fā)生，”陳世帆解釋說(shuō)。

因此，雖然暗能量似乎與這種減緩有關(guān)，但這股神秘力量?仍無(wú)法完全解釋?為何在現(xiàn)代宇宙中大型宇宙結(jié)構(gòu)的形成會(huì)變慢。

“當(dāng)我們將這些星系的‘特殊速度’（稱為紅移空間畸變）探測(cè)結(jié)果，與它們對(duì)CMB產(chǎn)生的弱引力透鏡效應(yīng)的交叉關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)分析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)我們的結(jié)果純屬偶然發(fā)生的概率僅為30萬(wàn)分之一，”陳世帆說(shuō)，“這表明，要么存在某種未知的物理定律在起作用，要么BOSS數(shù)據(jù)中存在某種未知的系統(tǒng)性誤差?！?/p>

這位研究人員補(bǔ)充道，隨著更好的數(shù)據(jù)即將到來(lái)（包括上周首次發(fā)布的DESI星系分布公開(kāi)數(shù)據(jù)），團(tuán)隊(duì)將再次應(yīng)用他們的方法，將結(jié)果與現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較，以探測(cè)是否存在統(tǒng)計(jì)上顯著的差異。

“我認(rèn)為目前還是?疑問(wèn)多于答案?，”陳世帆總結(jié)道，“這項(xiàng)研究無(wú)疑強(qiáng)化了這樣一個(gè)觀點(diǎn)：當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)ΛCDM模型框架內(nèi)解讀時(shí)，不同的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)集之間正開(kāi)始出現(xiàn)矛盾?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的研究成果已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

BY:Robert Lea

FY:忙碌的北門(mén)

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