| 作者：赵公博 张新夷易近 源头：黝黑日报 宣告光阴：2017/6/29 13:05:49 抉择字号：小 中 大 |
作者：赵公博 张新夷易近 《黝黑日报》（ 2017年06月29日 13版） 
宇宙三维图像切片图 审核者到星系以及类星体的距离以回溯光阴 (lookback time) 标注。回溯光阴展现从遥远天体收回的院钻研员宇宙眼前光抵鼓劲察者所履历的光阴。右侧缘对于应可审核宇宙的揭秘减速极限，从中可能看到大爆炸之后留下的缩短宇宙微波布景 (Cosmic Microwave Background, CMB)。 图片源头：作者提供 
位于美国阿帕奇地舆台的往事网斯隆望远镜 依靠该望远镜，迷信家乐成实现为了重子声波振荡(BOSS)巡天，迷信并正在运用它对于宇宙更深处的中科天体妨碍拓展重子声波振荡巡天(eBOSS)。照片源头：斯隆数字巡天民间网站 
爱因斯坦狭义相对于论预言的院钻研员宇宙眼前时空笔直展现图。 图片源头：NASA 【迷信向未来】 编者案 不久前，揭秘减速由中国迷信院国家地舆台退出的缩短天下最大星系巡天eBOSS国内科技妄想相助机关运用宇宙深处的类星体丈量到了清晰的重子声波振荡信号，这也是往事网证实暗能量存在的一个新的自力证据，引起了天下的迷信普遍关注。暗能量事实是中科甚么？暗能量若何审核？宇宙减速缩短眼前的物理机制事实是甚么？爱因斯坦建树的狭义相对于论错了么？本期特邀eBOSS国内相助组星系成团性使命组散漫组长、中科院国家地舆台钻研员赵公博以及中国迷信院高能物理钻研所钻研员张新夷易近从暗能量的院钻研员宇宙眼前发现谈起，深入解读这个正在增长宇宙减速缩短的揭秘减速怪异实力以及国内外暗能量钻研的未来睁开态势。 1.暗能量简直存在，宇宙正在减速缩短 迷信家不久前发现清晰重子声波振荡信号，这是人类初次运用宇宙深处的类星体妨碍的重子声波振荡丈量，并在超新星、宇宙微波布景辐射审核之后，取患了暗能量存在的又一自力证据，这也再次证明了宇宙在减速缩短。 重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹，在宇宙爆炸后约38万年，声波振荡信息被“解冻”。如今宇宙中，仍搜罗着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号，以是可将其作为“尺度尺”丈量宇宙遥远天体间的距离从而判断宇宙的缩短速率。 在介绍减速缩短以前，咱们先扼要回顾缩短宇宙的发现历史。1929年，美国地舆学家哈勃（Edwin Hubble）在合成了与河汉系隔壁的24个星系的审核数据后，惊惶地发现大少数星系的光谱存在红移天气。类比于典型物理学中的多普勒天气，星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离咱们。哈勃还发现，天体退行速率与它们离咱们的距离成正比，这便是驰名的哈勃定律，其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空缩短效应，这象征着全部宇宙处于缩短形态之中。这个发如今当时震撼天下，致使让良多人不安，由于此发现让千百年来以为“宇宙为动态”的意见被突破。 哈勃发现的是一种时空缩短效应。个别的引力效应只能让宇宙减速缩短，而迷信家假如了一种能增长宇宙减速缩短的未知怪异实力，称之为暗能量，它具备负压强，能使时空在宇宙学尺度上减速缩短。 要判断宇宙的缩短是减速仍是减速，就要丈量遥远天体的距离以及红移关连。地舆学上罕用的测距措施，是经由丈量天体的亮度来判断距离，这要选取具备相对于亮度的天体作为尺度。由恒星演化到最后爆发爆炸而组成的超新星可能负责这个脚色。其爆发时亮度能与全部星系比照力，从很远的距离外都能审核到。 1998年，由美国、澳大利亚迷信家向导的两个钻研小组，简直同时在超新星审核中发现了暗能量存在的证据，以此取患了诺贝尔物理学奖——在北京光阴2011年10月4日，瑞典皇家迷信院宣告将2011年诺贝尔物理学奖付与美国迷信家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚迷信家Brian P.Schmidt以及美国迷信家Adam G.Riess，以表彰他们一项震撼天下的迷信发现：宇宙正在减速缩短！ 这次的重子声波振荡信号是人类初次经由审核宇宙深处的类星体成团性发现的。这些类星体颇为遥远，如今看到的是它们在宇宙降生后30亿年到70亿年间收回的光，远在地球组成以前。 以前eBOSS国内相助组的专家都是用星系妨碍重子声波振荡丈量，而这次是用类行星，而且是高红移的类星体妨碍丈量，这与以前运用低红移星系妨碍的丈量组成为了很好的互补。 那末甚么是类星体？为甚么会抉择用它来审核？类星体是1963年被地舆学家发现的一类特殊天体。它们由于看起来是相似恒星的天体而患上名，实际上却是河汉系外能量重大的遥远天体。它们的中间着实是品质在太阳万万倍以上的超品质黑洞。这些黑洞周围丰硕的物资收回重大能量，使患上类星体成为宇宙中最夺目的天体。简直在全部宇宙空间中，咱们都能看到类星体。 重子声波振荡实际上反映了时地面物资扩散的情景，物资密度越高的中间，星系以及类星体也越多。这次抉择类星体来审核，次若是比力亮一些，在更遥远的中间都可能看到。 2015年至今，eBOSS国内相助组顺遂实现为了类星体巡天审核以及数据处置，以及暗能量等宇宙学前沿下场钻研，证明了运用红移类星体睁开宇宙学钻研的可行性与优势，为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠基了根基。该名目也受到国家做作迷信基金委员会以及中国迷信院“宇宙妄想源头”先导B类专项的反对于。 2.宇宙中约70%的能量是由暗能量提供，约25%由暗物资提供，而咱们熟习的艰深物资只占5% 在试验审核上，要清晰宇宙在以前差距光阴的缩短率，进而判断宇宙的缩短是减速仍是减速，就需要丈量更遥远天体的距离以及红移的关连。 天体的红移可能经由其光谱直接丈量，可是丈量天体与咱们的距离却颇为难题。地舆学上罕用的测距措施是经由丈量天体的亮度（它们以及天体的星等相分割）来判断距离。因此，在测距历程中要选取那些具备已经知的相对于亮度的天体作为审核工具，这种天体被称作“尺度烛光”。经由丈量差距红移处尺度烛光的亮度，并运用亮度与红移（概况星等与红移）的关连，咱们就能用它来判断宇宙缩短率与光阴的依赖关连。 宇宙中简直存在咱们需要的尺度烛光：Ia型超新星（SN）。此类超新星是双星零星中，白矮星吸积物资，或者双白矮星并合引起爆发组成的。这种星体在爆发时颇为璀璨，在短短多少周内，其亮度可能与全部星系比照力，在很遥远的距离上都可能审核到。经由多年自动，由Perlmutter、Schmidt以及Riess向导的两个自力的超新星钻研小组在1998年简直同时发现，宇宙深处的超新星比一个个别的以物资为主的宇宙所给出的要暗。这个审核证据表明，宇宙的缩短正在减速！ 除了超新星之外，重子声波振荡（BAO）是探测宇宙缩短历史的另一枚紧张探针。在宇宙早期，重子物资与光子详尽耦合，并在引力以及光子压强两种相同的熏染力下组成相似声波同样的振荡。随着宇宙缩短，温度飞腾，这种声波振荡使患上重子物资逐渐相互远离，直到宇宙大爆炸后约38万年的微波布景辐射（CMB）时期。日后光子与重子再也不相互熏染，声波振荡历程停止，星系之间的距离被“解冻”在一个特定的宇宙学尺度上，即BAO尺度。BAO尺度约莫为150兆秒差距（约4.9亿光年），详细数值依赖于宇宙学参数。审核上，咱们可能经由丈量差距尺度上星系对于的数目（宇宙学上称为星系的两点分割关连函数）丈量BAO尺度，进而丈量宇宙学参数。 由于运用BAO尺度直接受宇宙多少多影响，而且BAO测距简直不受零星倾向影响，BAO被称为丈量宇宙多少多的尺度尺。当初国内上最大的BAO巡天试验为美国的斯隆数字巡天（SDSS）。其第三期的重子声波振荡光谱巡天（BOSS）经由丈量一百万条星系光谱，初次在实用红移0.57处把BAO距离丈量精度后退到1%的水平，并乐成在多个宇宙学红移测患上高精度的BAO信号，为宇宙学钻研提供紧张审核反对于。BAO的审核独即将表明，宇宙简直正在减速缩短！ 宇宙尺度烛光、宇宙尺度尺以及CMB在限度宇宙学参数方面高度互补。散漫SN、BAO以及CMB的审核数据，当初宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供，约25%由一种称为暗物资的未知物资方式提供，而咱们熟习的艰深物资只占5%摆布。 3.暗能量的本性抉择着宇宙的运气 咱们可能看出宇宙缩短减速，即宇宙标度因子对于光阴的二阶导数为正，宇宙中总的压强必为负值，即明天的宇宙是由一种具备很强负压的物资所主导（重子物资以及暗物资压强为0）。这种怪异的负压物资便是暗能量。咱们当初对于暗能量的本性知之甚少，只清晰它具备负压强，且近乎滑腻，即不结团。暗能量的更多性子由其压强与能量密度的比值，即形态方程参数来形貌。 暗能量的本性抉择着宇宙的运气。假如减速缩短是由真空能引起的，那末宇宙将永世不断这种减速缩短的形态。宇宙中的物资以及能量将变患上越来越冷漠，星系之间相互阔此外速率将变患上颇为快，新的妄想不可能再组成。假如导致现今宇宙减速缩短的暗能量是能源学的，那末宇宙的未来将由暗能量场的能源学抉择，有可能会永世减速缩短上来，也有可能重新进入减速缩短的形态，致使可能缩短，特意是在精灵暗能量框架下，宇宙将有可能是循环的，即缩短－缩短－再缩短－再缩短……周而复始。 从地舆审核数据中提取暗能量形态方程随红移（赶快间）的演化历史，对于探究暗能量的本性至关紧张，因此，这也是国内外良多正在运行（SDSS巡天）以及妄想中的大型巡天妄想（DESI、Euclid、LSST等）的主要迷信目的之一。 4.爱因斯坦建树的狭义相对于论错了么 爱因斯坦建树的狭义相对于论是迄今为止最乐成的引力实际。其精确性从试验室尺度到太阳系尺度都患上到了高精度的验证。可是，在宇宙学尺度上，狭义相对于论的精确性还只是假如。当初的试验审核精度还缺少以在如斯大的时空尺度上证实概况证伪狭义相对于论。因此，宇宙时空的减速缩短天气原则上有可能经由更正概况推广狭义相对于论实现。 实际上，这并非迷信家第一次感应引力实际有更正的需要。20世纪初，爱因斯坦意见到牛顿引力论（即相对于时空不雅）既不适用于挨近光速行动的物体，也不能精确形貌强引力场中的物体。因此，他斗果敢胆地运用相对于时空不雅取代了相对于时空不雅，建树了狭义以及狭义相对于论，为百年来的物理以及地舆学钻研奠基了基石。爱因斯坦场方程的右侧是表征物资的扩散以及行动的物理量，称为能量-动量张量，而方程右侧则是时空曲率。此方程清晰表明，狭义相对于论以为物资的扩散以及行动抉择了时空曲率，而时空曲率又反以前影响物资的行动以及扩散。如前文所述，由物资主导的宇宙无奈使时空减速缩短，因此引入具备负压的暗能量。这实际上是更正爱因斯坦方程右侧。而另一种处置妄想则是直接更正时空曲率项，即更正爱因斯坦方程左侧，这便是更正引力论。 原则上，更正引力与暗能量模子可能给出残缺相同的宇宙布景缩短历史（即0阶物理量），可是它们却预言了残缺差距的宇宙妄想组成历史（即1阶扰动量）。因此，运用星系大尺度妄想巡天，咱们可能经由审核宇宙的妄想组成，来分说更正引力与暗能量这两种物理机制，并对于更正引力模子妨碍审核限度。 当初已经建树的更正引力模子搜罗标量-张量实际、矢量-张量实际、带品质引力实际等。数学方式上，这些实际都要比狭义相对于论重大，因此要钻研这些实际预言的宇宙妄想组成每一每一需要借助大规模数值模拟。 5.未来5至10年是暗能量钻研的黄金时期 “工欲善其事，必先利其器。”对于暗能量的钻研来说，睁开大规模的巡天试验是重中之重。未来5到10年内，我国以及国内上将运行一批（国内上称为第四代）大型地面以及空间暗能量名目，搜罗我国的空间站巡天，天籁妄想，国内上的DESI，Euclid等名目，揭示宇宙减速缩短眼前的新物理。 这些名目将从宇宙小尺度（星系概况星系团尺度）到大尺度（星系成团尺度以及宇宙布景演化尺度）周全魔难暗能量能源学以及狭义相对于论。它们将经由对于宇宙尺度烛光（超新星）以及宇宙尺度尺（BAO）的精确丈量重修暗能量演化历史，并将经由红移畸变（RSD）、等效道理魔难等本领精确魔难狭义相对于论。此外，位于我国西藏阿里地域的“阿里妄想”CMB试验将在五年内建成并运行，该试验将对于宇宙原初引力波的探究以及暗能量钻研具备紧张意思。 未来5年至10年是暗能量钻研的黄金时期。信托在全天下迷信家的以及衷共济下，揭开暗能量怪异面纱的光阴不可企及。 （作者：赵公博 张新夷易近） 更多浏览 中科院领衔发现暗能量存在新证据 特意申明：本文转载仅仅是出于转达信息的需要，并不象征着代表本网站意见或者证实其内容的着实性；如其余媒体、网站或者总体从本网站转载运用，须保存本网站注明的“源头”，并自信版权等法律责任；作者假如不愿望被转载概况分割转载稿费等事件，请与咱们分割。 Top |
