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科普文章

看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运?②
发布时间:2020-03-16    546   中国科学院国家天文台



图1:宇宙命运之魅影危机。









图2:天文观测揭幕越来越多的宇宙之谜。






图3:不同天文观测对哈勃参数的实验结果不完全吻合。



图4:大尺度结构与微波背景辐射天文实验之间的观测冲突。

啁啾共曲 未来探测 拈来一花一世界

看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运?②

图源:symmetrymagazine.org

为了探知宇宙加速膨胀之谜,人类提出了形形色色的方案。但是,这些方案要么在理论方面存在许多不足,要么给出的预言不能经受天文观测的良好检验。客观地说,目前还没有一个完美到让众人信服的解释宇宙加速膨胀的答案。

为了实现这一目标,一方面,我们需要扬帆起航,开启宇宙大航海时代的序幕,开展更多更精确的宇宙学观测。在传统的天文观测中,捕获和测量来自不同天体发出的不同种类的光信号是人类获得来自外太空讯息的主要突进。自从LIGO成功探测到引力波以来,人类宣告进入了引力波天文学时代,随之而来的是多信使天文学。人们提出了将引力波源作为“标准汽笛”来探测宇宙膨胀现象的思路,从而可以独立于Ia型超新星、宇宙微波背景辐射等传统天文观测提供宇宙学测距的实验检验。

另一方面,理论也需要得到更充分的发展。例如,一些可能偏离广义相对论的理论猜想,也有助于我们从其它角度来认知和解释宇宙加速膨胀的现象。人们既可以思考并提出更新颖巧妙的理论来解释天文观测,也可以在现有理论的基础上致力于暗能量有效场论理论框架的发展,从而更物理地认识暗能量以及其它与爱因斯坦引力理论偏离的现象学。

一个多世纪以前,物理学上空飘过的一朵乌云——以太学说与光速不变测量实验之间的冲突催生了爱因斯坦的相对论,推进了全人类的现代宇宙观。那么,当前的物理学上空又出现了暗能量这朵乌云,这是否意味着我们正处在认识宇宙再次发生飞跃的前夕呢?

在暗能量的实验探测方面,国际宇宙学界极为重视并开展了长期的探索与规划。为了研究更宽泛区域的暗能量动力学,正在积极开发新的天文观测手段包括弱引力透镜,伽玛射线暴、21厘米谱线、重子声学震荡、类星体等。

我国科学家也为此投入了多年的心血,特别是近些年对天文观测展开了一系列的大力发展,包括正在进行或规划中的世界单口径最大的五百米射电望远镜、中性氢巡天、天籁计划、中国空间站光学巡天、郭守敬望远镜、大视场巡天、大口径光学及红外望远镜等项目;同时,我国也积极推动暗能量科学的国际合作,已加入了斯隆数字巡天、暗能量光谱巡天、大尺度光学巡天等国际项目,力图通过多种天文观测手段探索暗能量的物理本质。

看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运?②

图源:The Cerro Tololo Inter-American Observatory, in Chile, dedicated to dark energy detection. ROGER RESSMEYER/CORBIS/VCG/GETTY IMAGES


[1] “Astronomy: Cosmic Motion Revealed”, BREAKTHROUGH OF THE YEAR, James Glanz, Science, 282, no. 5397, 2156-2157 (1998)

[3] “A phantom menace? cosmological consequences of dark energy component with super-negative equation of state.” R. R. Caldwell, Physics Letters B, 545, 23 (2002).

[5] “Dynamical dark energy in light of the latest observations”, G. B. Zhao, et al., Nature Astronomy, 1, no. 9, 627-632 (2017).

[7] “f(T) teleparallel gravity and cosmology”, Y. F. Cai, Salvatore Capozziello, Mariafelicia De Laurentis, E. N. Saridakis, Reports on Progress in Physics, 79, 106901 (2016).

[9] “f(T) gravity after GW170817 and GRB170817A”, Y. F. Cai, C. Li, E. N. Saridakis, L. Xue, Physical Review D, 97, 103513 (2018).

看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运?②

蔡一夫,2010年于中科院高能所获得理学博士学位。2012年在美国亚利桑那州立大学完成第一期博士后;2015年在加拿大麦吉尔大学完成第二期博士后。2017年获得基金委优青资助,现任中国科学技术大学天文学系教授。研究领域是粒子宇宙学。

主编:石硕

编辑:黄京一、蔡琳、柒柒

墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众,力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。