尋找暗能量存在的證據(jù)

Mr.Flower

天文學(xué)家認(rèn)為，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能?chē)?yán)格說(shuō)其是一種斥力，只能稱(chēng)其為能量。宇宙大爆炸時(shí)發(fā)生膨脹，產(chǎn)生的能量把物質(zhì)往外排斥，暗能量斥力作用的發(fā)現(xiàn)，使學(xué)者們認(rèn)識(shí)到，宇宙不光是在膨脹，而且還是在加速膨脹。

暗能量在宇宙中更像是一種背景，讓人根本感覺(jué)不到它的存在，但它確實(shí)存在，且起著非同一般的作用。有人把暗能量稱(chēng)為“真空能”。20世紀(jì)20、30年代，就有科學(xué)家認(rèn)為真空不空，只是物理的探測(cè)儀器探測(cè)不到“真空”中并非真的什么都沒(méi)有。

愛(ài)因斯坦的“宇宙常數(shù)”

對(duì)暗能量理論上的猜測(cè)可追溯到愛(ài)因斯坦年代，1915年愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出了廣義相對(duì)論，這是自牛頓時(shí)代以來(lái)第一次出現(xiàn)的重力理論。1917年，他將廣義相對(duì)論公式應(yīng)用到整個(gè)宇宙，想看看能否獲得對(duì)宇宙本質(zhì)的新認(rèn)識(shí)。世界上的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家隨即開(kāi)始解其中的引力方程，方程有兩種解，結(jié)論是宇宙不會(huì)完全靜止、宇宙沒(méi)有靜止點(diǎn)。

方程的第一種解是，如果宇宙只存在引力，沒(méi)有別的力作用的話，出于相互吸引，宇宙不可能靜止；方程的另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個(gè)初速度，向外膨脹，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。

愛(ài)因斯坦覺(jué)得從哲學(xué)思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應(yīng)該是靜止的，不能永不停息地運(yùn)動(dòng)。因此，愛(ài)因斯坦又向廣義相對(duì)論引力方程中引入了一項(xiàng)“宇宙常數(shù)”（Cosmological Constant λ）。這個(gè)宇宙常數(shù)起排斥力的作用，有了該常數(shù)之后，引力方程同時(shí)具備了引力和斥力，正好能夠達(dá)到平衡，可讓宇宙“靜止”下來(lái)。

20世紀(jì)20年代，美國(guó)著名天文學(xué)家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-

1953）經(jīng)過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙確實(shí)是在不斷膨脹，他根據(jù)星系的距離和運(yùn)行速度證實(shí)，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系向外運(yùn)動(dòng)的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現(xiàn)。這一觀測(cè)結(jié)果完全與引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計(jì)算結(jié)果相契合，迅速得到了世界上絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)可。愛(ài)因斯坦本來(lái)是想把宇宙“靜止”下來(lái)，但實(shí)際的宇宙是在膨脹著。他認(rèn)為：“引入宇宙常數(shù)是我這一生所犯的最大錯(cuò)誤！”

但愛(ài)因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”并未被科學(xué)家們遺棄，一小部分科學(xué)家此后在將觀測(cè)結(jié)果與理論進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候，常常會(huì)把此常數(shù)捎帶上。如果計(jì)算結(jié)果顯示“宇宙常數(shù)”等于0，就證明該數(shù)確實(shí)不能用；反之，就證明愛(ài)因斯坦引入一個(gè)常數(shù)的思路是對(duì)的。

觀測(cè)超新星1997ff的重大發(fā)現(xiàn)

1997年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到一顆超新星，編號(hào)為“1997ff ”。美國(guó)馬里蘭州太空望遠(yuǎn)鏡研究所和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家通過(guò)對(duì)該超新星光線的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行的研究表明，“1997ff ”爆發(fā)于110億年前，是迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的超新星，當(dāng)時(shí)宇宙的年紀(jì)只有現(xiàn)在的四分之一，宇宙的膨脹很可能經(jīng)歷了一個(gè)先減速、后加速的過(guò)程。科學(xué)家為愛(ài)因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個(gè)直接證據(jù)。

超新星即爆炸中的恒星，它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測(cè)定超新星的亮度，可以用來(lái)判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí)，該星體和地球之間的距離由于膨脹減速的原因要比預(yù)計(jì)的近，因而地球上的觀測(cè)者會(huì)發(fā)現(xiàn)其光要比預(yù)計(jì)中更亮。

經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算和分析，科學(xué)家們確認(rèn)“1997ff”的亮度是預(yù)計(jì)正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發(fā)出的光還要亮。科學(xué)家們據(jù)此判定，這顆超新星爆發(fā)于宇宙的減速膨脹階段。

科學(xué)家們指出，新發(fā)現(xiàn)和此前的觀測(cè)結(jié)論相結(jié)合，證實(shí)了宇宙膨脹先減速后加速，同時(shí)也證明宇宙中確實(shí)存在“暗能量”。“暗能量”據(jù)認(rèn)為是更接近能量，而非物質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為，與暗物質(zhì)一樣，“暗能量”構(gòu)成了宇宙中不可見(jiàn)的一部分。科學(xué)家估計(jì)“暗能量”可能占據(jù)了宇宙成分的三分之二，對(duì)它的了解對(duì)于理解時(shí)間、空間、物質(zhì)和能量具有關(guān)鍵作用。

1998年，天文學(xué)家們?cè)谀蠘O用80

萬(wàn)立米氣球搭載BOOMERANG（Balloon

Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics）微波探測(cè)器（氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37千米的高空飛越南極），BOOMERANG在空中控測(cè)了宇宙微波背景（CMB）下擾動(dòng)的大量樣本，其中，CMB是從各個(gè)方向襲擊地球的持續(xù)的電磁聲波。這些遙遠(yuǎn)的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。他們探測(cè)的只是全天中的一小塊，得出的結(jié)論是：“宇宙常數(shù)”不等于0，且在整個(gè)宇宙中所占比例還很大。此后，“宇宙常數(shù)”正式被稱(chēng)為“暗能量”。

借助WMAP發(fā)現(xiàn)最有利證據(jù)

2003年7月23日，美國(guó)匹茲堡大學(xué)斯克蘭頓（Scranton）博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)多國(guó)科學(xué)家小組宣布，他們借助美國(guó)“威爾金森微波各向異性探測(cè)器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡(jiǎn)稱(chēng)WMAP）的觀測(cè)數(shù)據(jù)（觀測(cè)宇宙微波背景輻射的微小變化），發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的直接證據(jù)。作為“大爆炸”的“余燼”，宇宙微波背景輻射大約在“大爆炸”后38萬(wàn)年產(chǎn)生，其中的光子在宇宙中穿行時(shí)會(huì)經(jīng)歷一系列物理過(guò)程，特別是在經(jīng)過(guò)質(zhì)量較大的星系時(shí)，這些光子將遭遇“引力陷阱”。探測(cè)結(jié)果顯示，宇宙年齡約為137億年，宇宙由23%的暗物質(zhì)，73%的暗能量，4%的普通物質(zhì)組成。宇宙中所占比例最多的東西反而是人類(lèi)最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在著，但還不清楚它們的性質(zhì)。

斯克蘭頓等人介紹說(shuō)，如果星系主要由普通物質(zhì)組成，那么光子在落入“引力陷阱”以及從中逃逸出來(lái)的過(guò)程中，由于“陷阱”深度固定，其能量總體上將不會(huì)變化。但是，如果星系中包含暗能量，情況就會(huì)不同。由于暗能量的排斥力作用，光子在落入“引力陷阱”并逃出來(lái)的過(guò)程中，“陷阱”會(huì)逐漸變淺，能量反而增加。體現(xiàn)在微波背景輻射觀測(cè)圖上，經(jīng)過(guò)這些星系區(qū)域的宇宙微波背景輻射溫度將出現(xiàn)細(xì)微上升。

斯克蘭頓博士等將WMAP以及另一項(xiàng)名叫“斯隆數(shù)字天宇測(cè)量”（Sloan Digital Sky Survey，簡(jiǎn)稱(chēng)SDSS。測(cè)定宇宙中星系的位置和彼此間距離）觀測(cè)計(jì)劃的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一些大質(zhì)量星系區(qū)域的宇宙微波背景輻射溫度確實(shí)出現(xiàn)了微升。科學(xué)家認(rèn)為，這一結(jié)果只有用暗能量才能予以解釋。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)傳播平臺(tái)科普網(wǎng)站，2010-12-16）endprint