对暗物质本质的理解,暗能量可能转变为其他形式的能量,使宇宙重生。

文章作者:管理一号 | 2019-01-16
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暗物质本质的了解,可以帮忙我们更好地了解国际毕竟的命运。(图片来历:SCENIC REFLECTIONS WALLPAPER)

来历:全国际科学ScientificAmerican

国际的毕竟结局将会是什么?虽然没有人可以亲眼见证那一刻,但物理学家经过对国际的观测,给出了三种经典假说:大揉捏、大冻住,以及两者的临界情况。

但这并不是故事的悉数。当物理学家发现,暗能量或许才是主导国际胀大的主要成分,国际或许的结局也出现了起色……

查询我们地点的国际,我们很简略对它发生敬畏之情。夜空中可以看到的恒星,只是银河系悉数天体中的一小部分——大概是数千亿中的几千颗。银河系本身也只是可观测国际(直径约为460亿光年)万亿星系中孑立的一个。

这悉数都要从138亿年前的大爆炸说起。那是我们知道国际的开始,在已知物理规则的前提下,我们可以从它启航,说明国际怎样演化成现在的容貌。现在国际仍然在胀大,构成新恒星,不断演化。但是国际的生命会有止境吗?

规范烛光和规范尺是天文学家用于测量不同时间/距离的胀大速率的两种办法。基根据规范烛光法测得的国际胀大速率(哈勃常数)是73 km/s/Mpc,而规范尺办法测得的是67 km/s/Mpc。(图片来历:NASA / JPL-CALTECH)

很长一段时间内,根据广义相对论的简略推导以及国际在胀大这一条件,科学家普遍认为国际有3种或许的结局。一方面,物质和能量发生的引力将悉数东西拉近;另一方面,我们的国际存在初始胀大速率,其作用是将悉数东西分别。

 遵照相对论的国际是被各向同性、均匀分布的物质和辐射填充的,不是静态的。这样的国际必定会胀大或许缩短,这取决于国际中的内容物及其含量。(图片来历:E。 SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

大爆炸是引力和胀大速率互相竞赛的起点。哪一方会在国际中占有优势?根据传统的观念,这个问题的答案将抉择国际的命运。以下是国际或许的命运:

1、大揉捏:国际毕竟坍缩回去。虽然初步的胀大很灵敏,但是许多物质和辐射将悉数的东西都拉回到一起。假设国际中的总物质和能量抵达必定的值,那么国际在胀大到最大值后,会转为缩短情况,国际毕竟将会坍缩。

2、国际永久胀大下去,毕竟以“大冻住”结束。悉数初始条件的都和上面的谈论相同,除了国际中总的物质和能量不足以回转胀大。国际会永久胀大下去,胀大速率会一贯下降,但一向大于零。

3、国际的胀大速率趋近于零。这就像是上面两种情况的临界点。假设多了一个质子,国际就会坍缩;少一个质子,国际就会永久胀大下去。在这样的临界情况中,国际也是永久胀大的,但却是以理论上的最低速率胀大。

为了知道哪一种情况是正确的,我们只需要去测量国际的是怎样胀大的,以及胀大速率是怎样跟着时间改动的。物答理抉择剩下的结局。

这是现代天体物理最重要的政策之一。经过测量国际的胀大速率,我们得知了现在国际结构的改动办法;而测量胀大速率随时间的改动,我们就能知道国际结构的演化前史。

将这两块信息拼接起来,可以让我们了解国际是由什么构成的,以及国际各组分的比例。

根据现在的测量效果,我们现已可以判定国际是由0.01%的辐射、0.1%的中微子、4.9%的一般物质、27%的暗物质和68%的暗能量构成。国际构成这个问题最早在上个世纪20年代被提出,在上个世纪90年代有了意想不到的答案。

 不断胀大的国际中,充满了星系和我们可以观测到的凌乱结构。它由高温、细密、均匀的初始情况演化而来。在已知的物质和辐射之外,必定还存在着某种新的能量办法,驱动着国际的加速胀大。(图片来历:C。 FAUCHER-GIGUÈRE, A。 LIDZ, AND L。 HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

假设是暗能量主导国际的胀大,这关于国际的命运又意味着什么?取决于暗能量怎样或许是否跟着时间演化,有以下5种或许的情况。

1、暗能量是一种主导国际胀大的国际学常数。根据现有的数据,这是现在认同度较高的观念。国际胀大时,物质的密度会下降;而暗能量代表的是空间自有的能量。因此,国际胀大时,暗能量密度坚持不变,使得胀大速率永久是正值,这会导致国际指数胀大。

假设暗能量随时间增加,但是坚持负值,大撕裂就会发生。(图片来历:JEREMY TEAFORD/VANDERBILT UNIVERSITY)

2、暗能量是动态的,跟着时间会变得越来越强。暗能量看上去是一种新的能量办法,它归于空间本身的性质,这说明它的能量密度应该是一个常数。但是它也或许跟着时间改动。一种或许增强,这会导致国际胀大速率跟着时间加速。

悠远的天体不仅是在加速远离我们,它们远离的加速度也会越来越大。更糟糕的是,那些受万有引力捆绑在一起的天体,比如星系团、独立的星系、太阳系甚至原子,都会在某一刻由于暗能量增强而分别。在国际的终究一幕,亚原子粒子和空间本身会被撕裂。这种“大撕裂”是第二种或许。

3、暗能量跟着时间衰减。暗能量还或许怎样改动?除去增强,它也或许削弱。假设它降到了零,这或许会回到初步谈论的或许性(大冻住)上去。国际会继续胀大,但是没有满意的物质和其他办法的能量让它坍缩回去。

假设暗能量衰减到零之后继续下降、变成了负值,那么,它会指向另一种或许:大揉捏。国际会被空间自有的能量填满,由于数值变为负,会引起相反的效应,导致空间坍缩。虽然这构成一现象所需的时间规范比国际现在的年岁大许多,但它仍是会发生。

暗能量的不同模型会演化出不同的效果。(图片来历:NASA/CXC/M.WEISS)

4、暗能量或许转变为其他办法的能量,使国际重生。假设暗能量不会减少,坚持常数或许甚至增加,还有另一种或许性:暗能量不会永久坚持这种办法;相反,暗能量或许会转变成物质或许辐射。这与国际暴胀结束时的现象类似。

假设暗能量可以在那个节点坚持常数,它会制造出一个低温、低密度版其他大爆炸模型。在这种情况下,只需中微子和光子可以自我生成。但假设暗能量增强,它或许会使国际变为类似暴胀的情况,紧随其后的是一次实在的热大爆炸。这是使国际重生的最直接的办法之一,新的循环国际有机遇像我们的国际相同演化。

最简略的暴胀模型是我们从山顶启航,这时暴升初步;终究经过下坡抵达谷底,这时暴升结束,引发热大爆炸。假设在谷底的值不为零,仍然是一个正数,则或许会量子隧穿到能量更低的情况上,这样会给我们现在的国际带来严峻成果。(图片来历:E。 SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

5、暗能量与真空零点能相关,或许衰变,然后摧毁我们的国际。这是国际悉数或许结局中最具破坏性的一种。假设暗能量对应的真空不是能量最低的实在真空,而是前期国际因对称性破缺而进入的一个伪真空情况,会有何成果?

假设是这样,量子隧穿效应使得现在的国际进入一个能量更低的情况上,改动物理规则并摧毁现在悉数的粒子。假设量子真空不是能量最低的安稳情况,不论衰变在哪发生,都会从一个点启航,以光速传达,摧毁所经之处的悉数事物。当信号传到我们这儿,随之而来的也是马上的消除。

 在景深相同,时长相等的情况下,WFIRST望远镜和哈勃望远镜(左上)所能看到的天区对比。WFIRST能观测的宽广区域让我们捕捉到更多悠远的超新星,然后进一步探寻暗能量的本质。(图片来历:NASA / GODDARD / WFIRST)

虽然我们不知道,在这些或许的国际结局中,哪一个才是真的,但现有的数据都和第一种或许性相符合:暗能量是一个常数。我们对国际演化进程的观测,特别是国际微波布景辐射和国际大规范结构的观测,可以束缚暗能量的改动规划。

跟着NASA的大视场红外巡天望远镜(WFIRST)计划在2020发射升空,我们可以将暗能量的改动规划缩小至现在的十分之一。假设暗能量使得国际结局不同于现有模型,天文望远镜将会是提示国际底细的最佳武器。直到那时,我们将考虑到悉数的或许性。而剩下的将由科学抉择。

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