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翟向华:膨胀宇宙的几个未解之谜︱大家

翟向华

上海师范大学数理学院教授

上海市学位委员会学科评议组成员

2003年,笔者曾写过一篇“WMAP将要告诉我们什么?——谈人类对宇宙演化的探索”。彼时,恰逢威尔金森微波各向异性探测器

(WMAP)

发射两周年,即将得到首批观测数据,而距1998年发现宇宙加速膨胀刚刚过去几年,探索宇宙演化和命运的新热潮正如火如荼。

如今,18年过去了,宇宙学研究上取得了哪些进展和突破?还有哪些未决问题等待我们去探索?让我们一起来看看吧。

WMAP告诉了我们什么?

1946年,伽莫夫(G. Gamow)提出大爆炸宇宙学时就预言了宇宙微波背景辐射(CMB),1964年彭齐亚斯(A. Penzias)和威尔逊(R. Wilson)无意中探测到了它的存在。CMB是大爆炸宇宙学的最确凿证据,CMB温度的任何微小变化都包含着关于宇宙早期结构的重要信息。

WMAP的目标正是高精度地探测CMB的微小差异,它由美国宇航局(NASA)负责,于2001年6月30日发射升空,2010年10月28日结束运行。

WMAP通过测量整个天空中CMB温度的微小差异,绘制出了年轻炽热的宇宙在诞生后37.5万年时的CMB图像。WMAP的观测有力地支持了大爆炸宇宙学,支持了宇宙早期的暴胀阶段,也支持了宇宙在大尺度上的平坦性。图1是WMAP团队绘制的宇宙演化示意图。它测量出宇宙年龄为137.7亿年,确定宇宙的组成是4.5%的普通重子物质,22.7%的暗物质,72.8%的暗能量。

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图1 宇宙演化示意图

最左边描绘了我们现在能探测到的最早时刻,即暴胀导致宇宙指数增长的时候。在接下来的数十亿年里,由于宇宙中物质的引力作用,膨胀逐渐减慢。最近,随着暗能量的排斥效应开始起主导作用,膨胀又开始加速。WMAP观测到的余晖是在暴胀后大约37.5万年发出,并基本上畅通无阻穿越了宇宙。这道光,铭刻了宇宙更早时期的状态,也照亮了宇宙的后期发展。

WMAP开创了精确宇宙学时代。继WMAP之后,欧洲空间局(ESA)于2009年发射了普朗克卫星,其目标与WMAP以及1989年发射的宇宙背景探索者卫星(COBE)一样,都是探测CMB的各向异性,但灵敏度不断提高,普朗克卫星的灵敏度达到了WMAP的10倍。

图2是普朗克卫星绘制的CMB图。它给出的宇宙年龄是138.2亿年,确定的宇宙组分是:组成恒星和星系的正常物质占宇宙能量密度的4.9%,暗物质占26.8%,而暗能量占68.3%。

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图2 普朗克卫星看到的宇宙微波背景

它包含了有关宇宙性质和历史的大量信息

从COBE到WMAP,再到普朗克,越来越精确的微波天空图让我们看到,我们的宇宙近乎完美地符合宇宙学标准模型:一个遵循宇宙学原理、空间曲率处处为零的膨胀宇宙。

但是,对困扰我们已久的问题:

比如暗物质和暗能量的本质究竟是什么,我们仍然一无所知。

并且,CMB的测量结果还带来一些新的问题,比如普朗克卫星观测数据给出的哈勃常数值明显低于天文学上传统的宇宙距离阶梯方法给出的结果,这就是当前的哈勃危机问题。

这些都是令宇宙学家们绞尽脑汁的未解之谜。

暗物质问题依旧

早在1933年,美国天体物理学家兹威基(F. Zwicky)在研究星系团质量的时候,推测星系团的绝大部分质量应该是我们看不到的,即不发光的,因为他的观测表明,仅靠看到的物质不足以将星系团中的星系束缚在一起。

到了20世纪六七十年代,通过对各类星系旋转曲线进行测量,科学家们认为,宇宙中必定存在我们看不到的物质,为弥散于星系各处的气体提供引力。20世纪80年代,正式确立了“暗物质”这个名称。

后来,越来越多的证据表明宇宙空间中存在大量的暗物质。引力透镜便是一个很好的证据。

广义相对论告诉我们,大质量天体的引力可以引起光线的弯曲。来自遥远星系的光在经过大质量星系团时会因引力而弯曲在其周围,形成多重图像,称为“引力透镜”效应。理想情况下,作为透镜的星系团质量是球对称的,图像应该形成一个圆,称为“爱因斯坦环”。

图3是由哈勃太空望远镜拍摄的一个近乎完美的爱因斯坦环。高精度的引力透镜实验明确地告诉我们,星系团中90%以上的质量是暗物质。除此之外,WMAP和普朗克卫星对CMB的测量也明确地给出了暗物质在宇宙中的含量。

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图3 近乎完美的爱因斯坦环LRG 未解之谜 3-757

所有的观测都表明,暗物质在宇宙中的存在是毫无疑问的。暗物质和普通物质一样,是随着宇宙大爆炸而产生的,它是宇宙学标准模型不可或缺的一部分。然而,它是什么?

现在,物理学家普遍认为暗物质是某种产生于宇宙早期的未知的稳定粒子,称为大质量弱相互作用粒子(WIMP)。主要的候选者是超对称理论引进的一类新粒子。倘若找到这种粒子,既能对暗物质问题做出解答,也将是对粒子物理标准模型的超越。

于是,近30年来,寻找暗物质粒子成为国际粒子物理实验的热点之一

欧洲核子中心的大型强子对撞机是目前世界上最高能的对撞机,它一直在寻觅这些新粒子的信号。

另外,还可以在地下的中微子观测站和宇宙射线探测器中寻找这些新粒子,比如我国的“悟空”卫星实验。

然而,直到目前,暗物质粒子仍是踪影难觅。

暗能量神秘如初

1929年,哈勃(E. Hubble)通过测量邻近20多个星系光谱的多普勒频移,发现来自星系的光呈现某种系统性的红移,也就是说,几乎所有的星系都正在远离我们而去,且退行速度和距离成正比,比例系数H0称为哈勃常数。这一发现宣布了宇宙在膨胀,从而奠定了宇宙学的基础。

随着观测手段的提高,人们对宇宙膨胀的认识在不断深入。

20世纪90年代末期,两个观测团队在利用Ia型超新星观测宇宙膨胀时,独立地发现了宇宙正在加速膨胀,并因此获颁了2011年的诺贝尔物理学奖。

这个令人震惊的发现立刻引发了宇宙学的研究热潮,宇宙学家特纳(M. Turner)为这种导致宇宙加速的神秘力量取名为“暗能量”。

到底是什么提供了排斥作用,引起了宇宙的加速膨胀呢?20多年来,了解暗能量的本质一直是宇宙学研究领域的热点。

理论学家们提出了暗能量的各种可能来源,包括宇宙学常数、精质(quintessence)、幻影能量(phantom energy)、修正引力等等。

而在实验上,一方面,WMAP和普朗克卫星对未解之谜CMB的高精度观测确认了暗能量占到宇宙总能量的2/3以上;另一方面,引力波等多项实验也对各种理论模型进行了筛选。

现在看来,与实验符合最好的暗能量可能来源是宇宙学常数。爱因斯坦为了得到当时所认可的静态宇宙,在广义相对论场方程中加入了宇宙学常数,后因哈勃发现宇宙膨胀而弃之。谁会想到,宇宙加速膨胀的发现让宇宙学常数在爱因斯坦时代的下一个世纪复活了呢?这是巧合还是冥冥之中爱因斯坦有着凡人无法企及的洞察力呢?

那么问题是,宇宙学常数的物理本质是什么?

物理学家将广义相对论中的这个常数项和量子场的真空能联系起来。

1967年,泽尔多维奇(Y. Zeldovich)基于量子场论对真空能的预言计算了宇宙学常数值,发现与观测相比,这个值太大了。当前,宇宙学常数的理论值比测量值大120个数量级。几十年来,这个棘手的问题还没有一个站得住脚的解释。

2013年开始运行的国际合作“暗能量巡天”(DES)项目旨在寻找上述问题的答案。它以前所未有的精度,通过观测宇宙的膨胀历史和大尺度结构来寻找引起宇宙加速膨胀的原因。从目前公布的数据分析,各种迹象都表明暗能量是一个常数

未来10年之内,将有欧洲空间局的欧几里得任务、美国国家加速器实验室主导的大型综合巡天望远镜(LSST)等多个新的探测项目开始运行。

在接下来的几十年中,新的观测将让科学家更清楚地判断暗能量是宇宙学常数(真空能)还是精质,抑或是修改引力。或许这些努力能揭示更深层次的物理。

宇宙膨胀究竟有多快?

哈勃常数H0描述了当下宇宙的膨胀率。

哈勃在1929年给出的H值约为500 km·s0 -1·Mpc·Mpc-1,这意味着一个距离我们1Mpc≈3.26百万光年的天体,将以5未解之谜00 km·s-1的速度远离我们,从这一数值推断出的宇宙年龄仅为20亿年,现在看来这是极其不准确的。

随着我们对宇宙有了更深刻的了解,以及技术的不断进步,我们已经能够越来越精确地测量哈勃常数。

从普朗克卫星对CMB所做的高精度测量,基于宇宙学标准模型可以得出哈勃常数值 H0=67.4 ± 0.5 km·s-1·Mpc-1

而利用造父变星和超新星作为标准烛光,用传统的宇宙距离阶梯方法得到的哈勃常数值却明显大于这个值。最近,因发现宇宙加速膨胀而成为2011年诺贝尔物理学奖得主之一的里斯(A. Riess)及合作者,利用哈勃太空望远镜测量了70个造父变星,得到了H0=74.22±1.82 km·s-1·Mpc-1。两者之间约9%的差异成为令人不安的“哈勃危机”。

两种测量方法都有可信的高精度,这个差异在统计上是有意义的。那么,这个分歧源自何处?实验上,宇宙学家尝试用另外的独立方法来解决这个令人迷惑的难题。

芝加哥大学的天文学家弗里德曼(W. Freedman)领导的团队用红巨星代替造父变星作为标准烛光,凭借能与基于造父变星的研究相媲美的精确度,测量了哈勃常数的值,但目前得到的测量结果落在了两个争议值的中间,并未解决争端。

另外,也有研究人员正试图利用类星体和活动星系核进行几何测距,以及利用引力波来测量哈勃常数。

假如测量无法解决这个分歧呢?理论学家已经开始怀疑,难道宇宙学标准模型有问题吗?于是,出现了“早期暗能量”、由一种新的亚原子粒子组成的“暗辐射”、暗物质与普通物质或辐射之间存在额外相互作用等各种理论模型。

里斯认为,哈勃太空望远镜测量的是当前宇宙的膨胀率,而普朗克卫星给出的结果是基于早期宇宙学理论模型和测量早期宇宙的膨胀率而做出的预测。要解决这两个哈勃常数值之间的差异问题,很可能需要对我们的宇宙学模型进行修改,使其能自洽地连接两个时代。

暗物质、暗能量、宇宙的膨胀速度,这几个难解之谜很可能是缠绕在一起的,它们之间或许有着本质的联系。揭开暗物质和暗能量的神秘面纱,或许就能化解哈勃危机了。暗物质和暗能量不仅是宇宙学的未解之谜,更是当前物理学天空中的两朵乌云。人类的好奇心将驱使我们不断探索,思维的火花加上各类精确度越来越高的高能物理、天文学和宇宙学实验,终将使我们迎来云开雾散的那一天。

就在不久前,美国费米实验室发现基本粒子之一的缪子表现出了反常行为,很可能预示着超出标准模型的新物理。这会引起现有物理学大厦的地动山摇吗?会成为解决暗物质和暗能量问题的契机吗?让我们拭目以待。

翟向华:膨胀宇宙的几个未解之谜︱大家

·本文选自《世界科学》杂志2021年第5期“大家·科技前沿”栏目·

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