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宇宙學地震!暗能量根本不存在?

[ 來源:環球科學 | 作者:本站 | 發布時間:2020-01-10 | 瀏覽:736次 ]

我們的宇宙由普通物質、暗物質和暗能量組成——自從20世紀末,天文學家發現宇宙在加速膨脹以來,“暗能量”的概念早已深入人心。暗能量存在的直接證據,依賴于對一類特殊超新星的觀測研究。但如果這類研究的前提條件都是錯的,那么暗能量還存在嗎?宇宙是否和我們預期的不一樣?現在,韓國延世大學的一項研究就對宇宙學的根基發起了挑戰……

撰文 | 吳非

1992年4月的一天,趕在滿月的明亮光芒遮掩住遙遠星空中的光亮之前,加州大學伯克利分校的天體物理學家薩爾·佩爾穆特(Saul Perlmutter)帶領團隊,將一座位于西班牙拉帕爾馬島的天文望遠鏡對準了一片遙遠的天區。在3周前的新月之夜,這座望遠鏡也曾指向同一片區域。佩爾穆特要做的,是從相隔3周的兩幅觀測圖片中“找不同”。這一次,他們成功了——第二張圖片上多出了一個像素點。進一步的分析確認,這個點正是他們尋找的目標:Ia型超新星。

這兩張圖片,源自佩爾穆特團隊1995年的一次觀測。右圖箭頭所指的亮點,代表了一顆Ia型超新星。

標準燭光

所謂超新星,是在演化末期劇烈爆炸的恒星。對天文學家來說,Ia型超新星有著特殊的地位。這類超新星的形成,需要白矮星與巨星組成的雙星系統:隨著白矮星不斷吸收巨星中的氫,最終它將不堪重負,內部引發熱核聚變,釋放的光芒在一瞬間照亮整個宇宙。有趣的是,所有Ia型超新星的質量都是一樣的——達到1.44個太陽質量時,爆炸如期而至。正是因為質量相同,這些超新星爆發時的峰值亮度一致。

這樣的特征,使得Ia型超新星承擔起至關重要的使命:為天文學家尋找宇宙的運動規律。

我們很容易想象這樣的畫面:一列規格相同的蠟燭在我們面前點燃,這些蠟燭的火焰本身亮度相同,但距離我們越遠,在我們眼中就顯得更黯淡。同樣,這些Ia型超新星也有相同的規律。用天文學的詞匯表述,就是Ia型超新星的視亮度(及其變化情況)與距離有著嚴格的對應關系。因此,它們成為可以用來測定距離的“標準燭光”。

不過,宇宙中的實際情況要比這更復雜。我們的宇宙不是靜止的,自138億年前的大爆炸后,它就在持續向外膨脹。換句話說,所有其他天體都在遠離我們而去。類似于多普勒效應,對于正在遠離我們的物體,我們看見的光線波長被拉長了,向波長更長的紅光偏移。這個現象,就是紅移。

但是,天體遠離我們的方式是怎樣的?是加速,減速,還是保持不變?

Ia型超新星可以給出答案。它們的視亮度對應距離,紅移則代表了遠離我們的速度。如果我們能獲取不同距離處Ia型超新星的亮度、紅移數據,就可以繪制出宇宙的膨脹地圖。

神秘推動力

佩爾穆特團隊正是希望通過這樣的關系,明確宇宙是怎樣減速膨脹的。沒錯,當時的科學界相信,引力的存在使得天體間相互吸引,因此宇宙膨脹的速度正在放緩。

但是,符合條件的Ia型超新星難以觀測。為了避免局部不均一性的影響,他們要尋找的超新星,與地球的距離都超過了1/3個可觀測宇宙半徑。因此,他們想到了文章開頭的比對觀測手段。

在這種觀測方法的可行性得到驗證后,研究團隊獲得了包括哈勃望遠鏡在內的多臺強大望遠鏡的使用權。截至1997年,他們共觀測到了42個超新星的數據。

然而,隨著距離-紅移關系圖上的數據點逐漸增多,研究團隊卻得到了意料之外的結論:宇宙并不是減速膨脹;相反,宇宙邊緣正在加速離我們而去。

1998年初,佩爾穆特團隊公開發表了他們的結論。幾乎同一時間,他們的競爭對手,布萊恩·施密特(Brian Schmidt)和亞當·里斯(Adam Riess)領導的團隊也發表了相同的結論。就這樣,兩支團隊的結論相互映襯,為屬于物理學的20世紀打出擲地有聲的句號:我們的宇宙,正在加速膨脹。

按照目前的認識,宇宙早期減速膨脹,并在約50億年前開始加速膨脹。

引力在嘗試將天體拉進,但宇宙卻在加速膨脹。這說明,一定有某種未知的力量推動著宇宙的膨脹。盡管沒有人能確定這樣的力量究竟是什么,但天文學家們還是定義出一個貼切的名稱:暗能量(dark energy)。

現在,這個結論早已成為主流科學界的共識,上述3位物理學家也因此共同獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。暗能量與普通物質、暗物質共同構成了我們的宇宙,其中暗能量占據了宇宙總質量的約70%。

至于暗能量是什么,目前眾說紛紜。其中一種較為主流的理論認為,導致宇宙加速膨脹的“暗能量”源自真空能。根據量子力學理論,真空中存在大量虛粒子對,它們同時生成后,又在瞬間相互湮滅。由此產生的真空能起到排斥引力的效果,推動著空間向外延伸。

此后,另一些研究也從不同的角度(例如宇宙微波背景輻射和重子聲波振蕩)找到了暗能量存在的間接證據,但這些證據都存在瑕疵。直到現在,支持暗能量理論最牢固的證據,依然是宇宙加速膨脹。

亮度與年齡

但在2020年的第一周,暗能量大廈的根基卻遭到動搖。

這個充滿勇氣的結論,來自韓國延世大學領導的研究團隊。

還記得Ia型超新星為什么可以用作測定距離的“標準燭光”嗎?因為Ia型超新星的亮度和距離嚴格對應。這樣的結論,是根據數十年觀測得出的經驗關系。

但是,此前的研究是否遺漏了某些因素?在這篇最新論文中,研究團隊就對Ia型超新星進行了一次大規模的“巡檢”。

使用智利的2.5米口徑拉斯坎帕納斯天文望遠鏡,以及位于美國亞利桑那州的6.5米口徑多鏡面望遠鏡,研究團隊對約60個星系展開了為期9年的高質量光譜觀測,觀測的信噪比達到175:1。觀測對象的選擇也相當講究。這項研究涵蓋了絕大多數鄰近的早期宿主星系中的超新星——這些早期的星系可以被精確定年。而觀測數據量之大,使得研究者有機會發現先前被遺漏的規律。

最終,這些科學家在即將發表于《天體物理學雜志》的論文中,發表了令人驚訝的結論:這些超新星的絕對亮度與恒星群年齡有關,兩者之間存在顯著的相關性(年輕的超新星亮度較低)。該結論的置信度達到99.5%。

如果這個結論得到后續研究的證實,那么一場天體物理學革命勢在必行。最直接的影響是,如果Ia型超新星繼續被用作“標準燭光”,研究者需要根據超新星所處的恒星群年齡校正觀測結果。

更重要的問題是,此前根據Ia型超新星得出的結論,例如宇宙的加速膨脹,又該如何處理?顯然,科學家需要重新審視這些結果。

暗能量不存在?

讓我們回顧佩爾穆特的研究。一顆Ia型超新星的紅移程度確定了,而它看上去比預期更加黯淡。對于這個現象,之前的解釋是:暗能量的存在推動宇宙加速膨脹,因此超新星的距離比預想的更遠。

但現在,最新的研究提出了全新的可能性。當我們考慮超新星亮度的演化,此前預測的宇宙運動狀態需要改寫?;蛟S,宇宙仍然在加速膨脹,但暗能量的比例需要重新計算;又或者,更大膽一點,宇宙沒有在加速膨脹,暗能量也根本不存在——所有這一切,都是出于恒星群年齡的差異。

在最新研究中,作者也驗證了這種可能性:如果暗能量真的不存在,通過恒星亮度隨年齡的演化,也可以模擬出類似的亮度-紅移曲線。

根據恒星亮度隨年齡的演化(圖中紅色曲線),也可以模擬出類似的曲線。

領導這項最新研究的Young-Wook Lee教授在接受采訪時引用了卡爾·薩根的名言:“薩根說,‘非凡的結論需要非凡的證據’,但我不確定對于暗能量,非凡的證據是否存在。我們的結果說明,通過超新星宇宙學推測出的暗能量,或許只是基于錯誤前提的假象?!?

但無論如何,這個結論還需要經過更多后續研究的檢驗。另外不要忘記,除了來自超新星的證據,暗能量還存在其他間接證據,例如前面提到的宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射告訴我們,普通物質與暗物質不足以填滿宇宙的總能量,空缺的部分就屬于神秘的暗能量。盡管近期的研究提出了不一樣的解釋,但同樣,更多后續研究不可或缺。

最終,這些新興觀點將通過檢驗,改寫我們對宇宙組成、運動的認識;還是與物理學歷史上的大量“重磅宣言”一樣,只是一幕很快被人遺忘的花絮?相信不久后,答案將水落石出。


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