“萬神殿+”揭開暗能量與暗物質面紗?

2022年12月07日16:16

參考消息網12月7日報導 據美國每日科學網站近日報導,天體物理學家進行了一項強有力的新分析,將宇宙的成分和演化過程限定在有史以來最精確的範圍內。通過這項被稱為“萬神殿+”的分析,宇宙學家發現,自己正站在一個十字路口。

“萬神殿+”令人信服地發現,宇宙的約2/3由暗能量構成,1/3由物質——主要是暗物質——構成,而且,宇宙在過去數十億年里加速膨脹。不過,“萬神殿+”也強化了學界在宇宙擴張速度上的嚴重分歧,目前這一分歧尚未得到解決。

改進宇宙演化理論

“萬神殿+”將被稱為“宇宙學標準模型”的現代宇宙學理論置於較為牢固的證據和統計基礎之上,進一步將解釋暗能量和暗物質的其他框架拒之門外。暗能量和暗物質都是“宇宙學標準模型”的基石,但目前尚未被直接探測到。它們位居上述模型的最大謎團之列。通過跟進“萬神殿+”的分析結果,研究人員現在可以開展較為精確的觀測試驗,並改進對錶面宇宙的解釋。

哈佛-史密森天體物理學中心的研究員狄龍·布勞特說:“有了‘萬神殿+’的這些分析結果,我們得以將宇宙的演化和歷史限定在迄今最精確的範圍內。我們對數據進行了梳理,現在能夠比以往任何時候都更有信心地講述宇宙是如何在漫長時間里演化的,並且可以說,目前描述暗能量和暗物質的最佳理論還是很經得起考驗的。”

布勞特是描述“萬神殿+”的新分析成果的一系列論文的主要作者。這些論文10月19日發表在《天體物理學雜誌》特刊上。

“萬神殿+”的分析基於同類數據集中規模最大的一個,包含超過1500次名為“Ia型超新星”的恒星爆發。當白矮星(即像太陽這樣的恒星的殘渣)積聚過多質量並經曆失控的熱核反應時,這些明亮的爆炸就會發生。由於“Ia型超新星”的亮度超過了整個星系,這種恒星爆發可以在100億光年外的地方被窺見。鑒於超新星爆發時其固有亮度近乎一致,科學家可以將爆發的表觀亮度——這一亮度會隨著距離增加而減弱——和紅移測量結果用作時間和空間的標記。這些信息進而還可以揭示宇宙在各個紀元的擴張速度,隨後用於對有關宇宙基本成分的理論進行驗證。

利用兩種測量手段

1998年關於宇宙加速膨脹的突破性發現得益於對“Ia型超新星”開展的一項研究。科學家把宇宙加速膨脹歸因於一種看不見的能量(暗能量的叫法便源於此),它是宇宙本身所固有的。在隨後幾十年的工作中,科學家繼續編製規模越來越大的數據集,揭示出跨越更廣泛空間和時間的超新星。現在,“萬神殿+”把這些數據集彙總成從統計學角度講迄今最為完備的分析。

因發現宇宙加速膨脹而獲得2011年諾貝爾物理學獎的約翰斯·霍普金斯大學教授、太空望遠鏡科學研究所天體物理學家亞當·里斯說:“從許多方面來說,這項最新的‘萬神殿+’分析是全世界觀測者和理論家20多年來在破譯宇宙本質方面所作努力的巔峰。”里斯還是哈佛大學校友,擁有天體物理學博士學位。

布勞特在宇宙學方面的職業生涯可以追溯到他在約翰斯·霍普金斯大學度過的本科歲月。他在那裡接受了里斯的教導和建議。在該大學,布勞特與里斯當時帶的博士生丹·斯科爾尼克合作開展研究。斯科爾尼克目前是杜克大學助理教授,也是這一系列新論文的合著者。

幾年前,斯科爾尼克對大約1000個超新星進行了最初的“萬神殿”分析。

現在,布勞特和斯科爾尼克以及他們的新團隊在“萬神殿+”中又添加了約50%的超新星數據,同時改進了分析技術並解決了潛在誤差源頭,最終使分析精確度達到初始“萬神殿”的兩倍。

布勞特說:“如果沒有一支傑出的學生和合作者團隊堅持不懈地改進分析的方方面面,那麼在數據集質量和我們對物理學理解方面的這一飛躍是不可能實現的。”

從整體數據來看,新分析認為,66.2%的宇宙呈現為暗能量,餘下的33.8%是暗物質和物質的組合。為了更全面地瞭解宇宙在不同紀元的成分,布勞特及其同事把“萬神殿+”與以下兩種測量手段結合在一起:一種是針對宇宙大尺度結構的可靠、獨立且具有補充作用的測量手段;另一種是針對宇宙最早光線、即宇宙微波背景的測量手段。

加劇“哈勃常數危機”

“萬神殿+”另一項關鍵成果與現代宇宙學的首要目標之一有關:這個目標就是確定宇宙目前的膨脹速度,即所謂的哈勃常數。把“萬神殿+”的樣本與里斯領導的合作項目“超新星、哈勃常數以及狀態方程”(SH0ES)的數據結合到一起,宇宙當前膨脹速度的最嚴格局部測量結果就出現了。

“萬神殿+”和SH0ES一起發現,哈勃常數為73.4公里/秒/百萬秒差距,不確定率僅為1.3%。百萬秒差距是度量天體距離的單位,約為326萬光年。換句話說,星系與地球的距離每增加326萬光年,其遠離地球的速度就增加73.4公里/秒。

然而,來自宇宙史上一個完全不同紀元的觀測結果卻預示著一個不同的故事。

如果把對宇宙微波背景的測量結果與當前的“宇宙學標準模型”結合在一起,得出的哈勃常數始終明顯低於根據“Ia型超新星”和其他天體物理學標記所獲得的觀測結果。這兩種方法之間的巨大差異被稱為“哈勃常數危機”。

新的“萬神殿+”和SH0ES數據集加劇了“哈勃常數危機”。事實上,“哈勃常數危機”現在已經跨過了重要的“五個標準差”門檻。物理學家用“五個標準差”來區分統計學上的僥倖事件和某件必須相應地加以理解的事。在統計學上達到這一新水平凸顯出理論家和天體物理學家在設法解釋哈勃常數差異方面所面臨的挑戰。

布勞特說:“我們原以為,在我們的數據集中找到這些問題的新解決辦法的線索是可能的,但我們發現,我們的數據排除了其中許多選項,深刻的差異仍然像以往一樣頑固。”

“萬神殿+”的成果可能有助於指出“哈勃常數危機”的解決辦法在哪裡。布勞特說:“最近的許多理論開始指向宇宙最早期的奇異新物理現象,然而,此類未經證實的理論必須經得起科學進程的考驗,‘哈勃常數危機’仍然是一個重大挑戰。”

總體而言,“萬神殿+”讓科學家得以全面回顧宇宙的很大一部分歷史。數據集中最早、最遙遠的超新星在107億光年之外。這意味著,這顆超新星爆發時,宇宙的年齡大約相當於目前年齡的1/4。在那個較早的時代,暗物質及其引力抑製了宇宙膨脹速度。

在隨後的數十億年里,隨著暗能量的影響大大超過暗物質的影響,這種狀態發生了巨大變化。暗能量將宇宙的構成物以越來越快的速度拋散到越來越遠的地方。

布勞特說:“通過組合起來的‘萬神殿+’數據集,我們獲得了從暗物質主導時代到暗能量主導時代的宇宙的精確景觀圖。這個數據集提供了絕無僅有的機會,讓我們能看到暗能量啟動並推動宇宙在最宏大的規模上一路演化至今。”

現在利用更有力的統計證據來研究這一轉變,將有望帶來對暗能量神秘本質的新深刻見解。

布勞特說:“‘萬神殿+’正在給我們提供迄今為止界定暗能量及其起源和演化過程的最佳機會。”

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