原标题:另一个宇宙入侵的产物!天文学家:它违背了宇宙学原理

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由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织,近日利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号,这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据。

根据宇宙学原理,尽管宇宙中存在大量星系、星系团等结构,但在10亿光年的大尺度上,宇宙应该是均一的。然而,陆续涌现的天文学观测却向其提出了挑战。如果宇宙学原理是对的,那么一个惊悚的候选理论是:在更高维度的空间里,另一个宇宙与我们的宇宙相遇,产生了这些横亘几十亿光年的神秘物体。

宇宙三维图像切片图 观测者到星系和类星体的距离以回溯时间 (lookback time)
标注。回溯时间表示从遥远天体发出的光到达观测者所经历的时间。右边缘对应可观测宇宙的极限,从中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景
(Cosmic Microwave Background, CMB)。 图片来源:作者提供

eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博说:“合作组通过观测距离我们68亿光年到105亿光年之间宇宙深处类星体的空间分布发现了该信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体成团性进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。”

在星罗密布的星系团间,一个直径20亿光年的巨型空洞;

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要确定宇宙膨胀是加速还是减速,需测量遥远天体间的距离和红移关系

由巨大的类星体构成,横亘40亿光年的弦;

位于美国阿帕奇天文台的斯隆望远镜
依托该望远镜,科学家成功完成了重子声波振荡巡天,并正在使用它对宇宙更深处的天体进行拓展重子声波振荡巡天。照片来源:斯隆数字巡天官方网站

1929年,美国天文学家哈勃发现大多数星系的光谱存在“红移”现象,表明宇宙中的星系在不断离我们远去,而且,离我们越远,远离速度也就越大。

由高能的伽马射线暴构成,占据可观测宇宙6%的巨大的环……

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天文学家由哈勃的发现倒推出一个猜想:既然天体之间距离越来越远,那么在很久以前,它们说不定汇聚在一起,也就是说宇宙是从一个点开始的。物理学家从这一观点又进一步推测:在过去,宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态,之后不断膨胀到现在的状态。于是,“稳恒宇宙”这一概念被彻底推翻。

随着我们对宇宙的观测变得更加清楚,天文学家发现了一系列巨大的结构,它们比我们以前所知的任何天体都要大。关于这些结构的问题只有一个:它们原本都不应存在。

爱因斯坦广义相对论预言的时空弯曲示意图。图片来源:NASA

要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体间的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由白矮星吸积物质最后爆炸形成的Ia型超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

巨型结构挑战宇宙学原理?

编者按
不久前,由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号,这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据,引起了世界的广泛关注。暗能量到底是什么?暗能量如何观测?宇宙加速膨胀背后的物理机制到底是什么?爱因斯坦建立的广义相对论错了么?特邀eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博和中国科学院高能物理研究所研究员张新民从暗能量的发现谈起,深入解读这个正在推动宇宙加速膨胀的神秘力量以及国内外暗能量研究的未来发展态势。

1998年,由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组“通过超新星发现宇宙正在加速膨胀”。这项研究在2011年被授予了诺贝尔物理学奖。

地球在宇宙中的位置并不特殊。这一观点经哥白尼提出后,已经成了天文学家的基本共识。此后,天文学家该原理的适用范围延伸至整个宇宙:宇宙中没有任何特殊的位置,这也被称作宇宙学原理。在恒星系统、星系和星系团层面上或许有一些不均匀的地方,但是在更大的尺度上,宇宙应该是均一的。宇宙中不应该有星系构成的巨大的墙,不应该有空荡荡的地方,也不应该出现巨大的结构。

1.暗能量确实存在,宇宙正在加速膨胀

“哈勃发现的是一种时空膨胀效应。”赵公博说,“引力效应只能让宇宙减速膨胀。因此科学家们假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量。它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。”

因此,最近涌现出的发现搞得天文学家们有点紧张。但是解决方法也同样充满争议。有研究者宣称这些巨大的结构是另一个维度的投影。如果他是对的,我们将能够首次证实,在我们的宇宙之外还有另一个宇宙存在。而且由于这些巨大的结构并不是我们宇宙中的实体,宇宙学原理也依然成立。

科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

重子声波振荡提供了天然的尺度,可以测量宇宙膨胀速度并证实暗能量的存在

宇宙中存在特殊区域的想法是为现代宇宙学所不容的。英国朴茨茅斯大学宇宙学家Seshadri
Nadathur说:“自文艺复兴以来,我们所有的工作都是反对这一想法的。”这一观点也使得用广义相对论来解释宇宙演化的任务变得更加复杂。“爱因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。”Nadathur说。但至少目前,宇宙学原理还仅仅是一种猜想。没有任何证据表明这是对的,而已有的证据似乎越来越多地反对这一观点。

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“冻结”。如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

除了观测超新星,大尺度星系巡天是另一种研究宇宙加速膨胀的重要手段。

就拿那个20亿光年宽的巨型空洞来说,它的发现者之一,西班牙巴塞罗那高能物理研究所的András
Kovács说:“那部分宇宙的星系数目比平均值要少10000个。”根据最新的数据,天文学家相信宇宙学原理在大约十亿光年的尺度下一定是对的。在这一尺度下,任意给定区域的物质多少都是相近的。这个巨洞的宽度几乎超过这一界限一倍,看起来十分显眼。Kovács团队称这个洞为超巨洞,并相信这个洞有可能解释宇宙微波背景辐射中巨大的冷斑,一个困扰天文学家十几年的问题。

在介绍加速膨胀之前,我们先简要回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃(Edwin
Hubble)在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体退行速度与它们离我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界,甚至让很多人不安,因为此发现让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。

国家天文台星系宇宙学部副主任陈学雷说:“大尺度巡天通过望远镜把一个区域的各种天体都观测到。接下来,首先是给这些被观测到的所有星体拍多个波段的照片,然后挑出一些比较远的天体,把它们的单个光谱测出来,根据光谱就可以测量‘红移’,从而绘制星体的三维空间分布。”

超巨洞还不算是最大的问题。2012年,英国中央兰开夏大学的Roger
Clowes团队宣布发现了一个40亿光年长的巨大线状结构,比超巨洞还要大一倍多。“我们当时想‘这是什么?’很明显那是非常不寻常的东西。”Clowes说。这一次并不是空间中有一个空洞,而是有的位置异常拥挤。这一结构被称作巨型超大类星体群,包含73个类星体(类星体是指非常遥远,极度明亮的活动星系核)。天文学家在20世纪80年代早期就知道类星体总是聚在一起,但是尺度如此巨大的类星体群还前所未有。

哈勃发现的是一种时空膨胀效应。通常的引力效应只能让宇宙减速膨胀,而科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量,它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。

在eBOSS运行的两年内,天文学家利用斯隆地基望远镜已精确测量了超过14.7万颗类星体的三维空间位置。

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要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

“通过这些三维信息,就可以重建出这个区域里物质是怎么分布的,哪里疏哪里密,再根据这个密度分布测量出重子振荡声波信号。”陈学雷说。

图中的黑色圆圈为观测到的巨型超大类星体群。

1998年,由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组,几乎同时在超新星观测中发现了暗能量存在的证据,以此获得了诺贝尔物理学奖——在北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul
Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P.Schmidt和美国科学家Adam
G.Riess,以表彰他们一项震惊世界的科学发现:宇宙正在加速膨胀!

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“冻结”。赵公博说,如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

2015年,匈牙利的天文学研究团队发现了一个巨大的伽马射线暴(GRB)群,伽马射线暴即为由遥远星系发出,能量极高、寿命短暂的能量爆发。发射GRB的星系看起来组成了一个直径达56亿光年的圆环,占据了6%的可观测宇宙。“我们真的没有预料到会发现这么大的结构,”来自匈牙利康科利天文台,领导这项研究的Lajos
Balázs说。这个尺度比宇宙学原理预言的宇宙应该呈现均一结构的尺度还要大五倍。

此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。这些类星体非常遥远,现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光,远在地球形成之前。

“宇宙太大了,我们不可能像在地面上一样拿一个标准尺度去测量,必须找一个天然尺度去测量它的膨胀速度。那么,重子声波振荡刚好就提供了这样一种天然的尺度。我们根据声速是多少,可以估算出声波振荡的特征尺度,然后根据这个算出对应的尺度去测量宇宙加速膨胀的速度。”陈学雷说。

宇宙学原理在我们对于宇宙的理解中占据了非常基本的位置,所以这样明显的反例让天文学家和宇宙学家都很不舒服,甚至这些现象的发现者也不例外。谈到构成GRB大环的强烈闪光时,有人认为其周围可能存在其他星系,这些星系的光因为没有GRB而显得没那么亮。这就像一间黑屋子中均匀分布着电灯泡,而如果只有一部分是亮的,你就有可能对灯泡的分布得出错误的结论。“这个大环并不一定违反了宇宙学原理。”
Balázs说。

之前eBOSS国际合作组的专家都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。

同时,通过重子声波振荡也可以证实暗能量的存在。

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那么什么是类星体?为什么会选择用它来观测?类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是类似恒星的天体而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中,我们都能看到类星体。

“暗能量的存在,或者说它所占宇宙能量组分的多少,直接影响重子声波振荡的特征尺度。因此,通过测量重子声波振荡尺度,我们可以反推暗能量组分,如果该组分在高置信度不为0,则说明暗能量的存在。”赵公博说。

图片来源:ESO/M。 Kornmesser

重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况,物质密度越高的地方,星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测,主要是比较亮一些,在更遥远的地方都可以看到。

首次通过观测类星体发现重子声波振荡信号,将来会开展大规模巡天实验

重合的宇宙膜

2015年至今,eBOSS国际合作组顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究,证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势,为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目也受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。

此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。赵公博说,这些类星体非常遥远,现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光,远在地球形成之前。

巨型超大类星体群同样引起了激烈的争辩。“我认为这根本不是什么结构。”Nadathur说。2013年,他发表了一篇研究Clowes团队数据分析算法的论文,计算了随机分布的类星体在这种算法下形成结构的可能。他说:“即使什么都没有,用他们的算法也很可能看到某些结构。”但是类星体群的存在也并未因此被直接否认。

2.宇宙中约70%的能量是由暗能量提供,约25%由暗物质提供,而我们熟悉的普通物质只占5%

“之前我们都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。”赵公博说。

Nadathur认为超巨洞和类星体群一样,都是可以和宇宙学原理兼容的。他说:“该原理并没有说不能出现涨落,只是说在大尺度上宇宙应该是均一的。”简单地说,就是超巨洞这样的结构并不是不可能出现,只是不会有太多。

在实验观测上,要了解宇宙在过去不同时刻的膨胀率,进而确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就需要测量更遥远天体的距离和红移的关系。

那么什么是类星体?为什么会选择用它来观测?

但是萨斯喀彻温大学理论物理学家Rainer
Dick认为,这种忽视宇宙巨型结构的做法是不对的。事实上,他认为接受这些结构才能更好地维护宇宙学原理。相反,这是其他维度侵入我们维度的第一手证据,我们原本平滑均一的宇宙正是因为其他维度的入侵才有了这些异常的现象。

天体的红移可以通过其光谱直接测量,但是测量天体与我们的距离却非常困难。天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度(它们和天体的星等相联系)来推断距离。因此,在测距过程中要选取那些具有已知的绝对亮度的天体作为观测对象,这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度,并利用亮度与红移的关系,我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系。

“类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是‘类似恒星的天体’而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。”赵公博说,“它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中,我们都能看到类星体。”

这个提议似乎胆大包天,但是它是基于坚实的理论基础提出的。一方面,我们所处维度之外的维度并不是什么新事物。几十年来,许多理论学家都将额外维度的存在视为统一广义相对论和量子力学的最大希望。这两个理论共同构成了20世纪物理学的基础,前者处理的是尺度很大的物体,后者处理尺度很小的物体。如果将这两种完全不同的理论结合,就会得到足以囊括宇宙万物的万有理论。

宇宙中确实存在我们需要的标准烛光:Ia型超新星。此类超新星是双星系统中,白矮星吸积物质,或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮,在短短几周内,其亮度可以与整个星系相比拟,在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力,由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗。这个观测证据表明,宇宙的膨胀正在加速!

“重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况,物质密度越高的地方,星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测,主要是比较亮一些,在更遥远的地方都可以看到。”陈学雷说。

由弦论延伸出来的M理论是万有理论的候选者之一,它认为我们生活在11维的宇宙中,其中有7个维度都紧紧卷曲起来,以至于我们无法看到。M理论十分优雅,数学上也颇具吸引力,有许多影响力很大的支持者。但是M理论有一个巨大缺陷:没有办法做出准确的预测,所以也就没有办法证明它是对的。Dick的工作将弦论拓展为了膜理论,而膜理论或许可以做出预言,也可能解决宇宙学原理的问题。

除超新星以外,重子声波振荡是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密耦合,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀,温度降低,这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射时期。从此光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即BAO尺度。BAO尺度大约为150兆秒差距,具体数值依赖于宇宙学参数。观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目(宇宙学上称为星系的两点关联函数)测量BAO尺度,进而测量宇宙学参数。

2015年至今,赵公博领导eBOSS国际合作组顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究,证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势,为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。

膜理论的核心思想是,我们的宇宙是一层四维的膜,这层膜漂浮在额外的维度中,这些额外维度里也有许许多多相似的膜。这样的想法和我们已有的引力理论并不矛盾,Dick说,因为“你可以加入无限多的额外维度,但最终仍然可以得到广义相对论”。

由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天。其第三期的重子声波振荡光谱巡天通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平,并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀!

目前,eBOSS项目通过美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的斯隆望远镜,仍在进行巡天观测。赵公博表示,对于暗能量研究来说,开展大规模巡天实验是重中之重,未来10年内,国内外将运行一批大型暗能量项目,包括陈学雷研究员领导的天籁实验(旨在探索用射电方法进行重子声波振荡探测),美国的DESI巡天,欧洲的Euclid卫星项目等。依托这些大型科学巡天项目,我们期待揭示暗能量的本质和宇宙加速膨胀背后的新物理。

尽管其余的膜因为占据额外的维度而无法直接观测,但膜理论认为我们或许可以观测到相邻的膜和我们的膜重合时产生的效应。

宇宙标准烛光、宇宙标准尺以及CMB在限制宇宙学参数方面高度互补。结合SN、BAO和CMB的观测数据,目前宇宙中约70%的能量是由一种称为暗能量的未知能量组分提供,约25%由一种称为暗物质的未知物质形式提供,而我们熟悉的普通物质只占5%左右。

(原载于《人民日报》 2017年06月02日15版)

那么这对于宇宙学原理的问题有什么帮助呢?为了测量遥远物体的距离,天文学家利用了红移效应。他们利用分光计将物体发出的光分解得到光谱线。任何远离我们的物体的光波波长,都会由于宇宙膨胀而拉长,变得更红,所以光谱线也就会向光谱的红端移动。物体的距离越远,远离我们的速度就越快,谱线就移动得越多。如果天文学家看到许多物体都有同样的红移,那么就会将它们认定为某种结构,比如GRB大环和巨型超大类星体群。

3.暗能量的本质决定着宇宙的命运

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我们可以看出宇宙膨胀加速,即宇宙标度因子对时间的二阶导数为正,宇宙中总的压强必为负值,即今天的宇宙是由一种具有很强负压的物质所主导(重子物质和暗物质压强为0)。这种神秘的负压物质就是暗能量。我们目前对暗能量的本质知之甚少,只了解它具有负压强,且近乎光滑,即不结团。暗能量的更多性质由其压强与能量密度的比值,即状态方程参数来描述。

但是,在膜交界的区域,我们对红移的测量就有可能出现偏差。在这些情况下,一层膜的光子会对另一层膜的带电粒子施加力的作用,这种现象被Dick称为膜串扰。他说:“这将改变重合区域氢原子能级间的距离。”在这些能级间运动的电子释放或吸收光子,产生谱线,我们又依靠这些谱线确定它们和地球的距离。

暗能量的本质决定着宇宙的命运。如果加速膨胀是由真空能引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成。如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的,那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩,特别是在精灵暗能量框架下,宇宙将有可能是循环的,即膨胀-收缩-再膨胀-再收缩……循环往复。

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从天文观测数据中提取暗能量状态方程随红移的演化历史,对于探索暗能量的本质至关重要,因此,这也是国内外许多正在运行和计划中的大型巡天计划(DESI、Euclid、LSST等)的首要科学目标之一。

但是如果膜串扰使能级间距缩紧,产生光子的波长就会稍稍变长,这会产生和宇宙膨胀无关的红移。如果你没能考虑到这一点,认为红移都是由距离产生的,那你计算得到的距离实际上是偏大的,这样一来,一些原本有物体的地方就什么都看不到了。

4.爱因斯坦建立的广义相对论错了么

重新认识宇宙?

爱因斯坦建立的广义相对论是迄今为止最成功的引力理论。其正确性从实验室尺度到太阳系尺度都得到了高精度的验证。然而,在宇宙学尺度上,广义相对论的正确性还只是假设。目前的实验观测精度还不足以在如此大的时空尺度上证实或者证伪广义相对论。因此,宇宙时空的加速膨胀现象原则上有可能通过修正或者推广广义相对论实现。

如果这个模型是对的,膜重叠的区域将会产生红移相同、看起来堆在一起的物体,同时产生看起来没有物体的区域,那么这就会让我们认为原本均匀平滑的宇宙出现巨型结构和巨洞。这个理论可以同时解决类星体群、GRB大环和超巨洞三个问题,Dick说:“这些结构都和膜串扰的可能结果吻合。”

实际上,这并不是科学家第一次感到引力理论有修正的必要。20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿引力论既不适用于接近光速运动的物体,也不能准确描述强引力场中的物体。因此,他大胆地使用相对时空观取代了绝对时空观,建立了狭义和广义相对论,为百年来的物理和天文学研究奠定了基石。爱因斯坦场方程的右边是表征物质的分布和运动的物理量,称为能量-动量张量,而方程左边则是时空曲率。此方程清楚表明,广义相对论认为物质的分布和运动决定了时空曲率,而时空曲率又反过来影响物质的运动和分布。如前文所述,由物质主导的宇宙无法使时空加速膨胀,因而引入具有负压的暗能量。这实际上是修正爱因斯坦方程右侧。而另一种解决方案则是直接修正时空曲率项,即修正爱因斯坦方程左侧,这就是修正引力论。

当然,事情一般不会这么简单。纽约州立大学科特兰分校的Moataz
Emam说:“要让这一切发生需要很多条件,有的条件看起来很难满足。”Emam同时指出,Dick的理论中一些关于引力的假设以前曾经遭到猛烈的批评,尤其是一些研究弦论的理论工作者认为其与计算结果不符。“但是他的模型确实是可以检验的。”他说。

88必发,原则上,修正引力与暗能量模型可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但是它们却预言了完全不同的宇宙结构形成历史。因此,利用星系大尺度结构巡天,我们可以通过观测宇宙的结构形成,来区分修正引力与暗能量这两种物理机制,并对修正引力模型进行观测限制。

Emam称,观测天空中天体密集区域和稀疏区域相连的地方,可能会提供必要的证据。考虑到所有巨型结构的红移偏差都是相同的,膜重合的理论可能确实说得通。

目前已建立的修正引力模型包括标量-张量理论、矢量-张量理论、带质量引力理论等。数学形式上,这些理论都要比广义相对论复杂,因此要研究这些理论预言的宇宙结构形成往往需要借助大规模数值模拟。

斯隆数字巡天(SDSS)提供了有史以来最详尽的宇宙三维图像,在它的帮助下,Dick正计划搜索数据库来得到支持自己理论的数据。他说:“这将会成为平行宇宙存在的坚实证据。”这样的发现不但会解决天文学观测中最复杂的问题,也会给弦论一个实验基础。

5.未来5至10年是暗 能量研究的黄金时代

但是他消除宇宙中最大的物体的要求,或许会导致新的困难出现。比如我们宇宙之外的膜,将挑战我们对自身在宇宙中的地位的认知,并使宇宙均一性的概念变得毫无意义。在包含有很多膜的广阔宇宙中,宇宙学原理或许根本不值得保留。返回搜狐,查看更多

“工欲善其事,必先利其器。”对于暗能量的研究来说,开展大规模的巡天实验是重中之重。未来5到10年内,我国和国际上将运行一批大型地面和空间暗能量项目,包括我国的空间站巡天,天籁计划,国际上的DESI,Euclid等项目,揭示宇宙加速膨胀背后的新物理。

责任编辑:

这些项目将从宇宙小尺度(星系或者星系团尺度)到大尺度(星系成团尺度和宇宙背景演化尺度)全面检验暗能量动力学和广义相对论。它们将通过对宇宙标准烛光和宇宙标准尺的精确测量重建暗能量演化历史,并将通过红移畸变、等效原理检验等手段精确检验广义相对论。此外,位于我国西藏阿里地区的“阿里计划”CMB实验将在五年内建成并运行,该实验将对宇宙原初引力波的探索和暗能量研究具有重要意义。

未来5年至10年是暗能量研究的黄金时代。相信在全世界科学家的共同努力下,揭开暗能量神秘面纱的时刻指日可待。(作者:赵公博
张新民)