暗能量可能會越來越弱，這表明宇宙將以“大崩潰”告終

2025-12-10 00:32:14 分類：休閑 閱讀(932)

暗能量光譜儀器（DESI）第一年數據的弱表插圖，顯示了DESI在其五年調查期間正在構建的明宇更大3D地圖的一部分。（圖片來源：uux.cn/DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R.Proctor）
（神秘的告終地球uux.cn）據美國太空網（Robert Lea）：目前宇宙、其歷史和演化的大崩潰“標準模型”被稱為Lambda冷暗物質（LCDM）模型，但該模型的弱表至高無上地位，其中Lambda代表宇宙學常數和暗能量，明宇現在可能受到嚴重威脅。告終
簡言之，大崩潰這是弱表因為對宇宙的新觀測表明，導致宇宙膨脹越來越快的明宇暗能量似乎正在減弱。這本身聽起來可能不算什么，告終但這一發現實際上有可能導致宇宙學自25年前發現宇宙加速膨脹以來的大崩潰首次重大范式轉變。它甚至可能表明，弱表宇宙不會以“大撕裂”或“大寒”結束，明宇而是以“大擠壓”結束。稍后，首先，讓我們深入研究這些迷人的結果。
關于暗能量演化的新線索是有史以來最深的宇宙地圖之一的一部分，該地圖是利用暗能量光譜儀器（DESI）收集的第一年數據構建的。該儀器的5000只機器眼收集來自數百萬個星系的光，這些星系覆蓋了我們從地球上看到的整個天空的三分之一以上。然后，這些光被分解成一系列顏色，使科學家能夠通過測量被稱為“紅移”的光波長變化來測量數十億年來宇宙的膨脹
在不超過DESI任務運行時間的五分之一的時間內收集到的數據，已經預示著重大的變革，并讓宇宙學家對接下來的事情感到興奮。
前DESI團隊成員、哥倫比亞大學ECCI的宇宙學家LuzÁngela García Peñaloza告訴Space.com：“這些結果的發布對宇宙學來說是一個偉大的日子，表明暗能量的影響隨著時間的推移而‘減弱’，這意味著暗能量正在進化，因此，它畢竟不是恒定的。”
宇宙學的標準模型是什么？
LCDM模型表明，在大爆炸之后，宇宙密度很大，非常熱，但也非常光滑，在各個方向上或多或少相同或同質。
隨著宇宙的膨脹，密度開始出現微小的波動，這些密集的斑塊也在增長。隨著宇宙的演化，暗物質團開始凝結，新形成的原子聚集并刺激這些團中的氣體分子。這導致了一個充滿氫和氦（兩種最輕、最簡單的化學元素）以及暗物質的宇宙。
電子與質子結合產生第一個原子意味著光突然可以自由傳播，而這第一個光今天被視為宇宙微波背景（CMB），這是一種“化石”輻射，可以告訴我們很多關于宇宙歷史的信息。
密度更高的區域將氣體和暗物質聚集在一起，形成了LCDM模型中第一批星系的種子，這些星系坍塌成了原始星系。在這些早期星系中，氫氣和氦氣創造了第一批恒星。最后，原星系和它們周圍的光環合并形成了越來越大的星系。
然而，重要的是，在這個模型中，暗能量由λ表示。λ應該是恒定的。
García Peñaloza說：“DESI發現宇宙的‘狀態方程’與通常的LCDM模型不一致，但相反，它顯示出暗能量隨時間變化的跡象。”。“這些發現為可變暗能量模型打開了一扇窗戶，因為它們顯示了對常數狀態方程的偏離。
“這非常令人驚訝，因為到目前為止，大多數宇宙學觀測都支持LCDM模型。整個宇宙學界都非常震驚。”
如果DESI的這些新發現被證明是準確的——而且它們目前看起來非常穩健——那么宇宙學常數可能不再是暗能量神秘力量的合適代表。
然而，一些物理學家可能歡迎廢除宇宙學常數。幾十年來，它不僅一直是一個令人頭疼的問題，而且這也不是我們對宇宙日益增長的理解第一次有理由對其進行處理。
回到理論垃圾箱
自20世紀初以來，以希臘字母Lambda表示的宇宙學常數一直給物理學家帶來很大的問題。
1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發布了可以說是他最具革命性的廣義相對論，該理論將引力描述為一個從空間和時間的曲率中產生的概念——一種由有質量的物體引起的曲率。
兩年后的1917年，愛因斯坦和荷蘭天文學家Willem de Sitter證明了廣義相對論方程可以用來描述宇宙，盡管它是一個高度簡化的宇宙。然而，出現了一個問題；廣義相對論方程描述的宇宙并不是靜止的宇宙。當時，在物理學中，普遍的共識是宇宙是靜止的，既不膨脹也不收縮，愛因斯坦同意這一共識。因此，他在他的方程中添加了一種“模糊因子”：宇宙學常數，或lambda。
這平衡了宇宙，增加了正確的推力和拉力，使其保持靜止。

宇宙常數（lambda）被送回宇宙垃圾箱的插圖。（圖片來源：uux.cn/Robert Lea）
大約12年后的1929年，埃德溫·哈伯在研究遙遠的星系時發現，來自它們的光正在被拉伸或“紅移”。他認為，星系離得越遠，這種影響就越大。這表明宇宙不是靜止的，而是在膨脹。科學家們將在接下來的70年里試圖測量這種膨脹的速度，這是由一個被稱為“哈勃常數”的值決定的
愛因斯坦不再需要描述一個靜態的宇宙，他從宇宙方程中刪除了宇宙學常數，據稱他將lambda的引入描述為自己的“最大錯誤”。但宇宙學常數不會在宇宙垃圾桶里呆太久。在20世紀末之前，lambda將以一種新的方式回歸。

Ia型超新星的動畫，天文學家用來發現宇宙膨脹的“標準蠟燭”恒星爆炸正在加速。（圖片來源：uux.cn美國國家航空航天局）
1998年，兩個獨立的天文學家團隊在對遙遠的1a型超新星進行觀測并將其用作宇宙距離測量時，發現宇宙的膨脹實際上并沒有像人們預期的那樣放緩。它正在加速。然后，暗能量被引入，作為導致這種加速膨脹的占位符。
García Peñaloza說：“盡管它占宇宙總物質和能量預算的70%，但沒有人知道它是什么。”。
在許多宇宙模型中，包括流行的LCDM模型中，暗能量由拯救的宇宙學常數或lambda表示，該常數現在起到對抗引力的作用，并以更快的速度將空間和時間的結構分開。
盡管如此，在被引入作為空間加速膨脹的一個值之后，宇宙學常數仍然是一個問題。觀測遙遠超新星所提供的值和量子物理理論預測的值繼續變化很大，相差多達10的121次方（1后面跟著121個零）。
更接近于理解暗能量嗎？
要想理解為什么暗能量和宇宙加速膨脹如此令人震驚，可以考慮這個地球上的類比：想象一下，給一個蕩秋千的孩子一個大推力。這類似于宇宙大爆炸，它引發了宇宙的膨脹。隨著時間的推移，揮桿可能會變慢，并逐漸達到弧線中的較低點，對吧？這類似于宇宙的膨脹隨著宇宙的老化而減慢。
但是，突然之間，當揮桿幾乎停止時，你不需要再用力，想象一下它突然恢復運動。不僅如此，想象一下它擺動得越來越快，達到越來越高的點。這相當于宇宙學常數用來描述的暗能量的作用。
難怪科學家們急于確定這種額外宇宙推力的原因；暗能量似乎越來越弱的發現給情況增加了一層復雜性。
García Peñaloza解釋道：“這是一個很好的跡象，表明LCDM模型可能并不是暗能量本質的‘最終答案’。”。“這是一個巨大的進步，但這些結果可能并沒有讓我們更接近這個答案；它們更多地告訴我們如何描述與時間有關的暗能量，可能是一種充滿宇宙的流體，可以用一個不恒定的狀態方程來描述。”

在這張長時間曝光的夜空照片中，一些奇怪的恒星軌跡與北極星（北極星）不同。這是因為這些實際上不是恒星，而是流星，或者在8月中旬達到頂峰的英仙座流星雨期間從太空墜落的流星。天體攝影師馬克西姆·塞寧在洛杉磯帕德雷斯國家森林的洛杉磯天文學會黑暗天空現場拍攝到了這張照片。一張長時間曝光的照片顯示了地球上恒星的軌跡。如果宇宙膨脹的加速度在億萬年內是恒定的，那么這樣的圖像將是不可能的。（圖片來源：uux.cn/Maxim Senin）
回到秋千的比喻，發現是什么導致了額外的、看不見的推力，對于理解孩子在秋千上的命運至關重要：他們會降落在灌木叢中、安全地降落在地面上還是被發射到太空？同樣，理解暗能量至關重要，因為它的進化或缺乏將決定宇宙的命運。它甚至可以向我們展示我們未來從地球上看到的景象。
García Peñaloza說：“有一種情況是，如果暗能量是不變的宇宙學常數，那么在億萬年后，所有星系都會相互遠離，以至于地球上的夜空將空無一人。”。
這可能導致宇宙最終成為一個由大范圍分離的死星系組成的寒冷宇宙，即所謂的“大寒”場景。或者，持續加速的膨脹可能導致時空結構撕裂，這種場景被稱為“大撕裂”
然而，新的DESI地圖可能表明了一種不同的宇宙命運，即宇宙再次坍塌到大爆炸后的高溫致密狀態。García Peñaloza補充道：“如果DESI第一年的結果是真的，那么宇宙的加速膨脹將停止并最終逆轉，宇宙可能會在引力的影響下開始融合。”。“這可能最終導致宇宙以‘大崩潰’的場景結束。”
García Peñaloza和其他宇宙學家渴望看到未來四年的DESI觀測為我們理解宇宙、宇宙起源和宇宙命運帶來了什么。
García Peñaloza特別表示，在DESI運行的第二年和第三年，望遠鏡應該會探索紅移空間畸變，這些數據使本已穩健的DESI結果更加令人印象深刻。DESI結果的最后一年應該與歐幾里得太空望遠鏡第一年數據的發布相吻合，該望遠鏡于2023年7月1日發射，為我們理解宇宙提供了強有力的“雙重打擊”。
García Peñaloza總結道：“我們將從兩個完全不同的任務中對宇宙有一個非常互補的愿景。”。“它們將為我們提供一個全新的視角，讓我們了解宇宙的行為，以及暗能量如何塑造更大規模的宇宙結構。”