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宇宙学地震!暗能量根本不存在?

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发表于 2020-1-9 09:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
宇宙学地震!暗能量根本不存在?[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]

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我们的宇宙由普通物质、暗物质和暗能量组成——自从20世纪末,天文学家发现宇宙在加速膨胀以来,“暗能量”的概念早已深入人心。暗能量存在的直接证据,依赖于对一类特殊超新星的观测研究。但如果这类研究的前提条件都是错的,那么暗能量还存在吗?宇宙是否和我们预期的不一样?现在,韩国延世大学的一项研究就对宇宙学的根基发起了挑战……

撰文 | 吴非


1992年4月的一天,赶在满月的明亮光芒遮掩住遥远星空中的光亮之前,加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)带领团队,将一座位于西班牙拉帕尔马岛的天文望远镜对准了一片遥远的天区。在3周前的新月之夜,这座望远镜也曾指向同一片区域。佩尔穆特要做的,是从相隔3周的两幅观测图片中“找不同”。这一次,他们成功了——第二张图片上多出了一个像素点。进一步的分析确认,这个点正是他们寻找的目标:Ia型超新星


                               
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这两张图片,源自佩尔穆特团队1995年的一次观测。右图箭头所指的亮点,代表了一颗Ia型超新星。


标准烛光
所谓超新星,是在演化末期剧烈爆炸的恒星。对天文学家来说,Ia型超新星有着特殊的地位。这类超新星的形成,需要白矮星与巨星组成的双星系统:随着白矮星不断吸收巨星中的氢,最终它将不堪重负,内部引发热核聚变,释放的光芒在一瞬间照亮整个宇宙。有趣的是,所有Ia型超新星的质量都是一样的——达到1.44个太阳质量时,爆炸如期而至。正是因为质量相同,这些超新星爆发时的峰值亮度一致。

这样的特征,使得Ia型超新星承担起至关重要的使命:为天文学家寻找宇宙的运动规律。

我们很容易想象这样的画面:一列规格相同的蜡烛在我们面前点燃,这些蜡烛的火焰本身亮度相同,但距离我们越远,在我们眼中就显得更黯淡。同样,这些Ia型超新星也有相同的规律。用天文学的词汇表述,就是Ia型超新星的视亮度(及其变化情况)与距离有着严格的对应关系。因此,它们成为可以用来测定距离的“标准烛光”。


                               
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不过,宇宙中的实际情况要比这更复杂。我们的宇宙不是静止的,自138亿年前的大爆炸后,它就在持续向外膨胀。换句话说,所有其他天体都在远离我们而去。类似于多普勒效应,对于正在远离我们的物体,我们看见的光线波长被拉长了,向波长更长的红光偏移。这个现象,就是红移

但是,天体远离我们的方式是怎样的?是加速,减速,还是保持不变?

Ia型超新星可以给出答案。它们的视亮度对应距离,红移则代表了远离我们的速度。如果我们能获取不同距离处Ia型超新星的亮度、红移数据,就可以绘制出宇宙的膨胀地图。


神秘推动力
佩尔穆特团队正是希望通过这样的关系,明确宇宙是怎样减速膨胀的。没错,当时的科学界相信,引力的存在使得天体间相互吸引,因此宇宙膨胀的速度正在放缓。

但是,符合条件的Ia型超新星难以观测。为了避免局部不均一性的影响,他们要寻找的超新星,与地球的距离都超过了1/3个可观测宇宙半径。因此,他们想到了文章开头的比对观测手段。

在这种观测方法的可行性得到验证后,研究团队获得了包括哈勃望远镜在内的多台强大望远镜的使用权。截至1997年,他们共观测到了42个超新星的数据。

然而,随着距离-红移关系图上的数据点逐渐增多,研究团队却得到了意料之外的结论:宇宙并不是减速膨胀;相反,宇宙边缘正在加速离我们而去。

1998年初,佩尔穆特团队公开发表了他们的结论。几乎同一时间,他们的竞争对手,布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)领导的团队也发表了相同的结论。就这样,两支团队的结论相互映衬,为属于物理学的20世纪打出掷地有声的句号:我们的宇宙,正在加速膨胀


                               
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按照目前的认识,宇宙早期减速膨胀,并在约50亿年前开始加速膨胀。

引力在尝试将天体拉进,但宇宙却在加速膨胀。这说明,一定有某种未知的力量推动着宇宙的膨胀。尽管没有人能确定这样的力量究竟是什么,但天文学家们还是定义出一个贴切的名称:暗能量(dark energy)。

现在,这个结论早已成为主流科学界的共识,上述3位物理学家也因此共同获得了2011年的诺贝尔物理学奖。暗能量与普通物质、暗物质共同构成了我们的宇宙,其中暗能量占据了宇宙总质量的约70%。

至于暗能量是什么,目前众说纷纭。其中一种较为主流的理论认为,导致宇宙加速膨胀的“暗能量”源自真空能。根据量子力学理论,真空中存在大量虚粒子对,它们同时生成后,又在瞬间相互湮灭。由此产生的真空能起到排斥引力的效果,推动着空间向外延伸。

此后,另一些研究也从不同的角度(例如宇宙微波背景辐射和重子声波振荡)找到了暗能量存在的间接证据,但这些证据都存在瑕疵。直到现在,支持暗能量理论最牢固的证据,依然是宇宙加速膨胀。


亮度与年龄
但在2020年的第一周,暗能量大厦的根基却遭到动摇。

这个充满勇气的结论,来自韩国延世大学领导的研究团队。

还记得Ia型超新星为什么可以用作测定距离的“标准烛光”吗?因为Ia型超新星的亮度和距离严格对应。这样的结论,是根据数十年观测得出的经验关系。

但是,此前的研究是否遗漏了某些因素?在这篇最新论文中,研究团队就对Ia型超新星进行了一次大规模的“巡检”。

使用智利的2.5米口径拉斯坎帕纳斯天文望远镜,以及位于美国亚利桑那州的6.5米口径多镜面望远镜,研究团队对约60个星系展开了为期9年的高质量光谱观测,观测的信噪比达到175:1。观测对象的选择也相当讲究。这项研究涵盖了绝大多数邻近的早期宿主星系中的超新星——这些早期的星系可以被精确定年。而观测数据量之大,使得研究者有机会发现先前被遗漏的规律。

最终,这些科学家在即将发表于《天体物理学杂志》的论文中,发表了令人惊讶的结论:这些超新星的绝对亮度与恒星群年龄有关,两者之间存在显著的相关性(年轻的超新星亮度较低)。该结论的置信度达到99.5%。

如果这个结论得到后续研究的证实,那么一场天体物理学革命势在必行。最直接的影响是,如果Ia型超新星继续被用作“标准烛光”,研究者需要根据超新星所处的恒星群年龄校正观测结果。

更重要的问题是,此前根据Ia型超新星得出的结论,例如宇宙的加速膨胀,又该如何处理?显然,科学家需要重新审视这些结果。


暗能量不存在?
让我们回顾佩尔穆特的研究。一颗Ia型超新星的红移程度确定了,而它看上去比预期更加黯淡。对于这个现象,之前的解释是:暗能量的存在推动宇宙加速膨胀,因此超新星的距离比预想的更远。

但现在,最新的研究提出了全新的可能性。当我们考虑超新星亮度的演化,此前预测的宇宙运动状态需要改写。或许,宇宙仍然在加速膨胀,但暗能量的比例需要重新计算;又或者,更大胆一点,宇宙没有在加速膨胀,暗能量也根本不存在——所有这一切,都是出于恒星群年龄的差异。

在最新研究中,作者也验证了这种可能性:如果暗能量真的不存在,通过恒星亮度随年龄的演化,也可以模拟出类似的亮度-红移曲线。


                               
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根据恒星亮度随年龄的演化(图中红色曲线),也可以模拟出类似的曲线。

领导这项最新研究的Young-Wook Lee教授在接受采访时引用了卡尔·萨根的名言:“萨根说,‘非凡的结论需要非凡的证据’,但我不确定对于暗能量,非凡的证据是否存在。我们的结果说明,通过超新星宇宙学推测出的暗能量,或许只是基于错误前提的假象。”

但无论如何,这个结论还需要经过更多后续研究的检验。另外不要忘记,除了来自超新星的证据,暗能量还存在其他间接证据,例如前面提到的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射告诉我们,普通物质与暗物质不足以填满宇宙的总能量,空缺的部分就属于神秘的暗能量。尽管近期的研究提出了不一样的解释,但同样,更多后续研究不可或缺。

最终,这些新兴观点将通过检验,改写我们对宇宙组成、运动的认识;还是与物理学历史上的大量“重磅宣言”一样,只是一幕很快被人遗忘的花絮?相信不久后,答案将水落石出。


原始论文:
Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology
https://arxiv.org/pdf/1912.04903.pdf

参考链接:
https://phys.org/news/2020-01-evidence-key-assumption-discovery-dark.html
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/perlmutter/biographical/
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2011.pdf
https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9505023.pdf


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