宇宙学家关于暗能量和膨胀宇宙的10个问题

20世纪初，著名的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现，遥远的星系正在远离我们自己的银河系，其速度远远快于它们更近的星系，导致科学家得出结论，宇宙正在膨胀。
哈勃的发现对当时的科学界来说是一个震惊，他们认为宇宙是静态的和不变的，哈勃的发现在1990年代后期变得更加令人不安。在这一点上，两个独立的团队试图发现宇宙膨胀的速度有多快，并发现不仅空间结构正在拉伸并携带星系，而且它正在加速扩张。
要考虑为什么这如此令人震惊，想象一下将玩具车推到桌子的平坦表面上。随着这种最初的推动力（类似于大爆炸引发的快速膨胀时期）消散，汽车会减速——就像宇宙的快速膨胀在大爆炸后不久就减慢了一样。
想象一下，然后，莫名其妙地，汽车突然加快速度并再次加速，而不是完全停止;这类似于宇宙的加速膨胀。暗能量是用来解释宇宙结构上的这种“幻影推动”的占位符名称。
暗能量约占宇宙总能量和物质含量的70%，充满宇宙，提供抵消引力的负压，并将物体大规模推开。但是，我们几乎不知道它到底是什么。因此，暗能量代表了宇宙学中最紧迫的谜团。
哥伦比亚波哥大ECCI大学的博士后研究员宇宙学家Luz Ángela García是致力于解决这个谜团的科学家之一。她认为，暗能量甚至在接管并开始在大尺度上主导引力之前就已经在宇宙的背景中活跃了。

什么是暗能量，为什么公众应该对它感兴趣？

暗能量是宇宙物质能量预算的未知组成部分。它不是“黑暗”的，因为它的物理特性。我们称之为黑暗，因为我们不知道它是什么或如何建模。
我们从二十多年来收集的观测中知道，我们的宇宙正在膨胀，膨胀速度正在增加;因此，应该有一些东西导致宇宙动力学的加速。加速膨胀的一个合理解释是暗能量的存在。
现在，公众应该对暗能量感兴趣，因为它是宇宙中罕见的，未被发现的主要组成部分。它的研究为描述当前的扩张提供了很多可能性。
通过它，我们可以推断出其他效应，因为它的存在改变了宇宙距离并影响了宇宙中物质的聚类。

为什么暗能量的发现——以及宇宙正在加速膨胀——让物理学家如此震惊？

我们知道宇宙正在膨胀，这要归功于埃德温·哈勃在1920年代后期的观测。他和他的合作者确定星系正在相互远离，并建立了一个将局部星系的距离和后退速度联系起来的图，称为哈勃图。
如果宇宙中所有类型的物质和能量都通过引力吸引人，那么宇宙将停止膨胀，在某个时候重新坍缩，并最终陷入“大紧缩”。对超新星光度距离的观测并没有支持这张照片。
✅ 暗能量和暗物质有什么区别？根据史密森尼天体物理天文台和哈佛大学天文台合作的天体物理中心的说法，暗物质构成了星系和星系团的大部分质量;这也是星系如何大规模组织的核心。相比之下，暗能量是宇宙学家所说的“推动宇宙加速膨胀的神秘影响”。
两个独立的小组报告说，他们的探测与加速膨胀的宇宙一致，这一声明彻底改变了我们对宇宙的概念。
这意味着总预算中缺少一个成分，其效果超过了重力的吸引力，或者时空结构正在自行膨胀。

宇宙的这种后期膨胀与标志着暴胀时期称为大爆炸的快速膨胀有何不同？

代表宇宙起源的计算机插图。大爆炸一词描述了宇宙中所有物质从13亿年前的无限致密状态开始的最初膨胀。初始条件尚不清楚，但在开始后不到一秒钟，温度达到数万亿摄氏度，原始宇宙比原子小得多。从那以后，它一直在膨胀和冷却。物质形成并凝聚成星系，观察到星系彼此远离。宇宙中的背景辐射被认为是大爆炸的残余物。
盖蒂图片社
所讨论的两个时代之间有两个主要区别。大爆炸暴胀持续了极短的时间，大约10的负35次方秒（即0.0，然后是另外33个零，然后是1），而这种后期膨胀在一些模型中已经发生了大约80亿年。
此外，我们认为早期通胀是由一个在我们的理论模型中已经建立的动力学领域驱动的。相反，我们似乎不同意当前扩张的原因。是宇宙常数吗？还是一个典型的领域？也许，这是自然界中更奇怪的东西吗？
我们还不知道答案。

为什么暗能量仍然是一个谜？

因为我们还没有用今天运行的任何望远镜观察到它，但这对我们来说并不是棘手的部分。有一些迹象表明它可能是什么，但我们对其性质的了解就到此为止。
有趣的是，我们不能只是把宇宙的这个未知成分扔在地毯下，因为它加起来占物质能量总含量的70%。

我们如何测量暗能量，为什么这对宇宙学家来说是个问题？

如前所述，我们无法用目前的仪器测量或探测暗能量。我们不知道怎么做。这意味着我们需要更加努力地思考，以建立最终使我们能够揭示暗能量物理成分的实验。
目前，我们能做的最好的事情就是研究它对宇宙大尺度的影响，以及通过广泛的星系调查来研究它的增长结构。

你最初是如何对研究暗能量产生兴趣的？

标准模型假设暗能量是用宇宙常数描述的，这是爱因斯坦场方程中由于各种原因多次引入的旧思想。
尽管大多数宇宙学观测都倾向于将宇宙常数作为暗能量的主要候选者，但仍然存在其基本性质的问题：它是真空量子涨落的积分能量吗？
后一个问题让我困惑了一段时间，如果其他物质成分有动力学，为什么宇宙常数的能量密度在时间上保持不变？
这鼓励我为当今加速的宇宙膨胀寻找替代解释。很难相信我们的宇宙会以这种可预测的方式进化。
我和同事们在2021年首次提出了早期暗能量模型。

什么是早期暗能量模型？

暗能量，无论是由宇宙常数还是精粹标量场描述，大约在80亿年前才开始在宇宙中起作用。但是，我们为什么要相信它不可能在宇宙时间的早期做出一些贡献呢？
早期的暗能量模型包括宇宙演化的额外复杂性，因为它们允许暗能量在大爆炸后38，0000年后宇宙微波背景释放[第一束能够在宇宙中自由旅行的光]之前存在。
✅ 什么是宇宙常数？根据美国宇航局的说法，阿尔伯特·爱因斯坦认为宇宙常数是他的“最大错误”。根据他的广义相对论，爱因斯坦预测宇宙要么膨胀要么收缩。因为他认为宇宙是静态的、不变的，所以他把宇宙常数作为数学创可贴添加到他的理论中。后来，当大爆炸理论被提出，埃德温·哈勃证明附近的星系表明宇宙实际上在膨胀时，爱因斯坦意识到了他的错误。
这些模型具有动力学，更重要的是，它们的能量密度在时间上不是恒定的。我们的早期暗能量模型对状态方程有一个有效的参数化，该方程模拟了大爆炸后早期的辐射。
然后，这改变了，用宇宙学常数状态方程的渐近值来描述宇宙的加速膨胀。决定这种转变的参数受到最近一组天文观测的限制。

这个模型可以解决哪些暗能量问题？

宇宙膨胀的图示。宇宙起源于137亿年前的大爆炸(左)。它立即开始膨胀和冷却(第一阶段)。最终，宇宙变得对辐射透明，第一个物质能够形成团块。在大约100亿年前，它的膨胀速度减慢了(第二阶段)。在35亿年前的阶段，宇宙充满了恒星和星系，由于宇宙中弥漫着神秘的暗能量，它的膨胀又开始加速。我们现在处于第四阶段，扩张没有停止的迹象，实际上正在加速。橙色箭头表示重力。这减缓了扩张，但目前还不能阻止它。
盖蒂图片社
我们模型的优点是双重的。首先，它为后期宇宙的膨胀提供了自然的解释。此外，这个模型可以解决哈勃张力 - 用遥远的超新星观测宇宙膨胀的观测与理论物理学提供的更大的预测值之间存在的差异。
这是因为我们的模型在宇宙主导其物质能量含量之前，暗能量对宇宙做出了贡献，而暗能量进化到超越物质并导致宇宙后期膨胀加速。

你认为暗能量之谜会在未来十年内解开吗？

我希望如此，因为这一发现将开启许多关于暗能量起源和性质的新问题，以及我们尚未预料到的所有未知数。

如果宇宙学家真的解决了暗能量之谜，那么下一个需要解决的宇宙学谜团是什么？

在我看来，下一个伟大的谜团将是我们宇宙的未来。
如果暗能量存在，这意味着星系之间的距离太远而无法相互看到。这意味着，最终，我们将看到的不是星夜，而是黑暗而空旷的夜晚。
尽管如此，我们已经了解到，宇宙学中最令人兴奋的发现是我们没有预料到的。相反，那些意想不到的突破改变了我们对宇宙的看法。