直视星空,破解宇宙膨胀



重点提要:

1. 某种因素导致宇宙加速膨胀,但究竟是什么?科学家认为若不是一种称为暗能量的作用力,就是必须修正对重力的理解。假如暗能量真的是主因,则至少可能有两种解释。

2. 一项称为暗能量调查(DES)的新计划,将全力研究宇宙膨胀的过程,以及暗能量如何阻碍星系在空间中的聚集,来破解此谜题。

3. DES将观测超新星、太初声波的特征、重力透镜(光经过宇宙里的物质时产生偏折)与星系团,以这四种探测方式来解答这些难题。


为何宇宙会加速膨胀?这个难题是现今科学界最大的未解谜题之一。

将近100年前,哈伯发现宇宙正在膨胀:几乎所有的星系都在远离我们银河系,而且越远的星系,退行速率越快。那项发现固然影响深远,但我们在1998年看见了另一个更令人吃惊的现象:膨胀正加速进行中。


在20世纪的大部份时间里,科学家认为随着时间进展,重力将在各处把星系聚集在一起,减缓宇宙膨胀。两组研究超新星的团队,把那些爆炸的恒星当做测量宇宙距离的指标,却发现宇宙实际上正加速膨胀。当这项引人注目的发现经由其他观测证实后,便获颁了2011年诺贝尔物理奖。

为了解开这个谜,宇宙学家有两种不同的看法,任何一种都足以完全改变我们对自然定律的理解。一种看法认为牛顿(以及爱因斯坦)并未完全理解重力:虽然在地球上以及太阳系里,重力总让物质互相吸引,但在星系际空间的广阔距离上,重力变成了斥力。我们或许应该修正重力理论,以运用在宇宙尺度上。


另一种看法认为宇宙里充满了某种看不见的东西,现在称为暗能量,可抵消重力作用,使物体互相排斥,而非互相吸引。宇宙学的测量指出,若暗能量真的存在,将构筑今日宇宙整体质能(根据爱因斯坦的知名公式E=mc2,质量等同于能量)的70%;暗物质是一种与暗能量无关的隐形物质,大约占据25%;构成原子、恒星、行星与人类的普通物质,仅贡献了5%左右。

由于这幅图像可简洁解释星系和宇宙大尺度结构的形成,并符合迄今为止所有的观测结果,因此比起重力在大尺度上遵循不同规律运作的看法,这幅图像获得更多人注意。



但我们该如何确定暗能量正是造成宇宙加速膨胀的原因?此外,就算真的是暗能量造成,那么它的本质又是什么?我们最近展开了一项雄心宏伟的计划,称为「暗能量调查」,期待能够更加理解为何宇宙似乎加速撕裂。

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