暗能量宇宙與暗能量天體物理性質的研究

陽泓微

【摘 ?要】本文對暗能量宇宙與暗能量天體的物理性質進行了一些研究。主要介紹了宇宙加速膨脹的觀測和暗能量宇宙模型，以及暗能量產生的相對影響，并對相應的暗物質的一些探測。初步探究暗能量宇宙與黑洞的關系。

【關鍵詞】宇宙加速膨脹;暗能量;宇宙模型;影響;暗物質;黑洞

一、宇宙加速膨脹的觀測和暗能量宇宙模型

（一）暗能量的定義

理論物理學家研究宇宙依靠簡單的模型，首先是宇宙的年齡，之后是原子的密度，物質的密度，初始波動的振幅。雖然這個模型很簡單，但是卻有些奇怪，其實這個模型暗示了我們銀河系中的大部分物質都是以暗物質的形式存在的，這是一種在實驗室中還沒有檢測到的新型粒子形式，宇宙中的大部分能量都是以暗能量的形式存在的，這是一種很神秘的能量。

（二）暗能量宇宙模型

對大規模分布的星系和類星體的觀察數據表明，宇宙在其最大尺度上幾乎是均勻的。廣義相對論意味著從宇宙大爆炸開始，就一直處于膨脹中。因為宇宙膨脹，光出現了“紅移”的現象，所以來自遙遠星系的光到達我們的時候顯得更紅。哈勃的觀測發現了星系紅移和距離之間的線性關系，這在20世紀20年代建立了基本宇宙模型模型。

（三）宇宙加速膨脹的觀測

目前最流行的宇宙學模型假設宇宙大爆炸后不久，宇宙經歷了非常迅速的膨脹期。宇宙微波背景輻射是這種快速膨脹的殘余熱量。這種膨脹也將微小的量子漲落并放大，為我們展示出了一種密度意義上的變化。宇宙膨脹模型預測這些波動是恒久不變的，波動在所有尺度上的幅度幾乎相同。

我們對微波背景的觀測其實是宇宙大爆炸38萬年后的事情。在這個時期，電子和質子結合形成氫。一旦宇宙變為中性，微波輻射背景光子就可以自由傳播，因此聲波就形成了特征尺度，這個特征尺度，即“重子聲學尺度”，這是用來測量宇宙空間幾何學的一把尺子，用這把尺子才能確定初期宇宙的密度和宇宙的形狀。

從空間和地面，太空望遠鏡觀測宇宙微波背景中的溫度和極化波動，測試該標準宇宙學模型并確定其基本參數。值得注意的是，只有六個獨立參數的模型，也就是上面說到的，即宇宙的年齡、原子的密度、物質的密度、密度波動的幅度、它們的尺度依賴性和第一顆恒星形成的時代，提供了詳細的適合當前微波背景測量的統計特性模型。同樣的模型也適用于星系大尺度分布的觀測，哈勃常數的測量，宇宙的膨脹率，以及超新星的距離測定。重子可觀測物質占我們宇宙不到5%;標準模型假定暗物質支配著星系的質量，而暗能量，即與空間相關的能量，則構成了宇宙的大部分能量密度。

暗能量占宇宙質量能量密度的68.3%，暗物質占26.8%，普通重子可觀測物質占4.9%。還有其他可觀測的次主導結構：三種不同類型的中微子至少占0.1%，宇宙背景輻射占0.01%，黑洞在宇宙中至少占比0.005%，它們可以被粗略劃分到重子物質中。

天文觀測和宇宙學理論表明，宇宙的組成極其復雜。然而，目前對宇宙組成的觀測只有，暗能量、暗物質、原子、還有三種不同類型的中微子和光子，它們都對宇宙的能量密度有顯著貢獻。雖然黑洞不太可能是暗物質的候選者，但它們對宇宙質量密度的貢獻大約是恒星密度的0.5%。

超新星的觀測為宇宙的加速提供了關鍵證據。超新星是近均勻峰值亮度的一種直接觀測結果。因此，它們可以作為一種信號，用來確定光到其主星系的傳播距離。通過測定距離作為星系紅移的函數，超新星觀測測量宇宙的膨脹率就可以作為宇宙學家研究加速的數據了。在20世紀90年代末，觀察超行星的科學家們報告了宇宙膨脹速度正在加速。

宇宙常數主導的宇宙是奇怪的生存之地。其實我認為重力是一種吸引力。如果你向上扔球，重力會減慢它從地球引力上升的速度。同樣，引力（在沒有宇宙常數的情況下）也會減慢宇宙的膨脹速度。

為什么宇宙在加速？最大的一種可能性是宇宙學常數（或等效的，空間的真空能量）驅動著宇宙加速度。另一種可能是有不斷演化的標量場，它充滿了空間（就像希格斯場或推動宇宙快速早期膨脹的膨脹場）。這兩種可能性都集中在暗能量中。因為暗能量的所有證據都使用廣義相對論方程來解釋我們對宇宙膨脹和演化的觀測，另結論是需要一種新的引力理論來解釋這些觀測的。可能性包括修正重力理論和額外維度。

二、暗能量的發現和影響

（一）暗能量的發現

暗物質的證據早于我們對微波背景、超新星觀測和大尺度結構測量的觀測。在1933年發表的一篇有論文中，Fritz Zwicky指出，星系團或者星系中存在大量的附加質量。在20世紀50年代，Kahn和Woltjer認為，只有當局部星系群包含大量的看不見的物質時，它才可能是穩定的。到20世紀70年代，天文學家認為星團和星系中的質量都隨著半徑的增加而增加。之后的論據表明，星系的穩定性需要暗物質和暗能量的支持。天文學家研究了星系外區域的氣體運動，在數量不斷增加的星系中發現了存在暗物質暗能量的證據。到20世紀80年代，暗物質已經成為宇宙學范式中公認的一部分。

微波背景和大尺度結構觀測表明，暗物質的密度是普通原子的五倍。觀測還表明暗物質與光子、電子和質子的相互作用非常弱，甚至壓根不會相互作用。如果暗物質是由原子構成的，那么在早期宇宙中，它將由離子和電子組成，并在微波天空留下清晰的印記。因此，暗物質肯定是非重子的。

天文學家們利用哈勃太空望遠鏡上的大尺寸照相機繪制了星團暗物質分布的詳細地圖。這些觀測揭示了星系團中大量的暗物質子結構，與數值模擬的預測基本一致。

（二）暗能量的影響

在小得多的尺度上，矮星系是暗物質理論的另重要的研究試驗場。這些暗物質對矮星系的影響很小，因此矮星系的預測性質對暗物質性質非常敏感。宇宙學家認為矮星系的觀測特性與數值模擬的預測不匹配。盡管一些天體物理學家認為，改進的模型形成的反饋模型可以調和這一差異，但其他人認為暗物質的自相互作用需要與觀測的模擬相匹配。

早期的宇宙是非常強大的粒子加速器。在大爆炸早期的高溫和密度下，宇宙背景輻射產生了大量的粒子。宇宙微波背景實驗已經探測到了在宇宙早期第一時刻產生的大量中微子的觀測信號。這個時期也可能創造出暗物質粒子。

超對稱性是我們目前對粒子物理學理解的最廣泛的延伸，它為暗物質提供了潛在的候選者。粒子可以分為兩類：費米子和玻色子。費米子遵循不相容原理：在每種狀態下只能找到粒子。在同一量子態中可以發現多個玻色子。電子是費米子，而光子是玻色子。超對稱性將是自然界的一種新的對稱性，它將每個玻色子與費米子搭檔相連，反之亦然。

最輕的超對稱粒子LSP是穩定的。這些粒子將在大爆炸后的瞬間大量產生。對于超對稱模型中的某些參數，LSP的密度可以解釋觀測到的暗物質密度。弱相互作用的大質量粒子wimp，通過與質量相當的希格斯粒子交換粒子而相互作用的粒子，具有暗物質所需的性質。

三、暗能量中的暗物質種類探測

如果wimp是暗物質，那么就可以通過幾種不同的路徑被探測到，也就是說暗物質可以在加速器中產生。這個可能性讓宇宙學家和其他領域科學家有了積極的尋找暗物質的計劃。到時候的搜索一定會有許多激動人心的時刻。目前有許多有趣的信號可能是第一次探測到暗物質：

（一）Gran-Sasso暗物質DAM實驗在其探測器中觀察到事件率的年度調制，僅采用理論預測形式。對這一結果的解釋是有爭議的，因為其他實驗未能探測到暗物質，并且似乎與這一探測聲稱相矛盾。

（二）有很多人聲稱來自銀河系中心的過量伽馬射線信號在一系列潛在的暗物質質量范圍內。由于銀河系中心的暗物質密度很高，它可能是暗物質自我湮滅產生的高能光子源。不過銀河系中心也包含大量的天體物理源，它們發射高能光子。對外部星系的搜索也表明暗物質的存在，但質量卻不同。這一主張也是有爭議的。宇宙學家希望對附近矮星的觀測能夠提供不那么模棱兩可的信號。

（三）我們星系中的暗物質湮滅可能產生正電子。宇宙射線的觀測實驗一直在尋找這些信號。這些實驗面臨的挑戰是將這一信號與宇宙射線的天體物理源（如脈沖星）分離，并從二次碰撞中產生。

四、暗能量宇宙與黑洞的關系

至于黑洞，一般認為有幾種形成機制：宇宙大爆炸時形成的太初黑洞，大恒星死亡形成的黑洞和星系中間的大黑洞。

美國科學家稱黑洞其實是暗能量星，認為既然有暗能量，那么恒星塌縮時，可能有足夠強的暗能量使得它不是黑洞而是形成暗能量星。它們的具體關系還需科學家們繼續不斷地去研究與探索。

未來的觀測可以確定宇宙加速的來源和暗能量的性質。我們的觀察可以測量兩種不同的影響，距離和紅移之間的關系和宇宙間不同結構的生長速度。如果廣義相對論在宇宙學尺度上是有效的，那么這兩個測量值應該是一致的。這些測量也將決定暗能量的基本性質。

雖然廣義相對論現在已經有百年的歷史了，但它仍然是宇宙學中強大而有爭議的概念。這是我們當前宇宙學模型背后的基本假設：模型在匹配觀測方面非常成功，但同時暗示了暗物質和暗能量的存在。這意味著我們對物理的理解是不完整的。我們可能需要像廣義相對論那樣深奧的新概念來解釋這些奧秘，需要更強大的觀察和實驗來照亮通往我們新見解的道路，去發現和探索暗能量宇宙與暗能量天體物理性質的關系，促進科學的研究與進步。

注釋

[1]重子聲學尺度：微波輻射背景光子自由傳播，因此聲波就形成了特征尺度。

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（作者單位：天津師范大學物理與材料科學學院）