“宇宙”“万神殿+”揭开暗能量与暗物质面纱？

2022-12-07 17:05:30来源：参考消息

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参考消息网12月7日报道据美国每日科学网站近日报道，天体物理学家进行了一项强有力的新分析，将宇宙的成分和演化过程限定在有史以来最精确的范围内。通过这项被称为“万神殿+”的分析，宇宙学家发现，自己正站在一个十字路口。

“万神殿+”令人信服地发现，宇宙的约2/3由暗能量构成，1/3由物质——主要是暗物质——构成，而且，宇宙在过去数十亿年里加速膨胀。不过，“万神殿+”也强化了学界在宇宙扩张速度上的严重分歧，目前这一分歧尚未得到解决。

改进宇宙演化理论

“万神殿+”将被称为“宇宙学标准模型”的现代宇宙学理论置于较为牢固的证据和统计基础之上，进一步将解释暗能量和暗物质的其他框架拒之门外。暗能量和暗物质都是“宇宙学标准模型”的基石，但目前尚未被直接探测到。它们位居上述模型的最大谜团之列。通过跟进“万神殿+”的分析结果，研究人员现在可以开展较为精确的观测试验，并改进对表面宇宙的解释。

哈佛-史密森天体物理学中心的研究员狄龙·布劳特说：“有了‘万神殿+’的这些分析结果，我们得以将宇宙的演化和历史限定在迄今最精确的范围内。我们对数据进行了梳理，现在能够比以往任何时候都更有信心地讲述宇宙是如何在漫长时间里演化的，并且可以说，目前描述暗能量和暗物质的最佳理论还是很经得起考验的。”

布劳特是描述“万神殿+”的新分析成果的一系列论文的主要作者。这些论文10月19日发表在《天体物理学杂志》特刊上。

“万神殿+”的分析基于同类数据集中规模最大的一个，包含超过1500次名为“Ia型超新星”的恒星爆发。当白矮星（即像太阳这样的恒星的残渣）积聚过多质量并经历失控的热核反应时，这些明亮的爆炸就会发生。由于“Ia型超新星”的亮度超过了整个星系，这种恒星爆发可以在100亿光年外的地方被窥见。鉴于超新星爆发时其固有亮度近乎一致，科学家可以将爆发的表观亮度——这一亮度会随着距离增加而减弱——和红移测量结果用作时间和空间的标记。这些信息进而还可以揭示宇宙在各个纪元的扩张速度，随后用于对有关宇宙基本成分的理论进行验证。

利用两种测量手段

1998年关于宇宙加速膨胀的突破性发现得益于对“Ia型超新星”开展的一项研究。科学家把宇宙加速膨胀归因于一种看不见的能量（暗能量的叫法便源于此），它是宇宙本身所固有的。在随后几十年的工作中，科学家继续编制规模越来越大的数据集，揭示出跨越更广泛空间和时间的超新星。现在，“万神殿+”把这些数据集汇总成从统计学角度讲迄今最为完备的分析。

因发现宇宙加速膨胀而获得2011年诺贝尔物理学奖的约翰斯·霍普金斯大学教授、太空望远镜科学研究所天体物理学家亚当·里斯说：“从许多方面来说，这项最新的‘万神殿+’分析是全世界观测者和理论家20多年来在破译宇宙本质方面所作努力的巅峰。”里斯还是哈佛大学校友，拥有天体物理学博士学位。

布劳特在宇宙学方面的职业生涯可以追溯到他在约翰斯·霍普金斯大学度过的本科岁月。他在那里接受了里斯的教导和建议。在该大学，布劳特与里斯当时带的博士生丹·斯科尔尼克合作开展研究。斯科尔尼克目前是杜克大学助理教授，也是这一系列新论文的合著者。

几年前，斯科尔尼克对大约1000个超新星进行了最初的“万神殿”分析。

现在，布劳特和斯科尔尼克以及他们的新团队在“万神殿+”中又添加了约50%的超新星数据，同时改进了分析技术并解决了潜在误差源头，最终使分析精确度达到初始“万神殿”的两倍。

布劳特说：“如果没有一支杰出的学生和合作者团队坚持不懈地改进分析的方方面面，那么在数据集质量和我们对物理学理解方面的这一飞跃是不可能实现的。”

从整体数据来看，新分析认为，66.2%的宇宙呈现为暗能量，余下的33.8%是暗物质和物质的组合。为了更全面地了解宇宙在不同纪元的成分，布劳特及其同事把“万神殿+”与以下两种测量手段结合在一起：一种是针对宇宙大尺度结构的可靠、独立且具有补充作用的测量手段；另一种是针对宇宙最早光线、即宇宙微波背景的测量手段。

加剧“哈勃常数危机”

“万神殿+”另一项关键成果与现代宇宙学的首要目标之一有关：这个目标就是确定宇宙目前的膨胀速度，即所谓的哈勃常数。把“万神殿+”的样本与里斯领导的合作项目“超新星、哈勃常数以及状态方程”（SH0ES）的数据结合到一起，宇宙当前膨胀速度的最严格局部测量结果就出现了。

“万神殿+”和SH0ES一起发现，哈勃常数为73.4公里/秒/百万秒差距，不确定率仅为1.3%。百万秒差距是度量天体距离的单位，约为326万光年。换句话说，星系与地球的距离每增加326万光年，其远离地球的速度就增加73.4公里/秒。

然而，来自宇宙史上一个完全不同纪元的观测结果却预示着一个不同的故事。

如果把对宇宙微波背景的测量结果与当前的“宇宙学标准模型”结合在一起，得出的哈勃常数始终明显低于根据“Ia型超新星”和其他天体物理学标记所获得的观测结果。这两种方法之间的巨大差异被称为“哈勃常数危机”。

新的“万神殿+”和SH0ES数据集加剧了“哈勃常数危机”。事实上，“哈勃常数危机”现在已经跨过了重要的“五个标准差”门槛。物理学家用“五个标准差”来区分统计学上的侥幸事件和某件必须相应地加以理解的事。在统计学上达到这一新水平凸显出理论家和天体物理学家在设法解释哈勃常数差异方面所面临的挑战。

布劳特说：“我们原以为，在我们的数据集中找到这些问题的新解决办法的线索是可能的，但我们发现，我们的数据排除了其中许多选项，深刻的差异仍然像以往一样顽固。”

“万神殿+”的成果可能有助于指出“哈勃常数危机”的解决办法在哪里。布劳特说：“最近的许多理论开始指向宇宙最早期的奇异新物理现象，然而，此类未经证实的理论必须经得起科学进程的考验，‘哈勃常数危机’仍然是一个重大挑战。”

总体而言，“万神殿+”让科学家得以全面回顾宇宙的很大一部分历史。数据集中最早、最遥远的超新星在107亿光年之外。这意味着，这颗超新星爆发时，宇宙的年龄大约相当于目前年龄的1/4。在那个较早的时代，暗物质及其引力抑制了宇宙膨胀速度。

在随后的数十亿年里，随着暗能量的影响大大超过暗物质的影响，这种状态发生了巨大变化。暗能量将宇宙的构成物以越来越快的速度抛散到越来越远的地方。

布劳特说：“通过组合起来的‘万神殿+’数据集，我们获得了从暗物质主导时代到暗能量主导时代的宇宙的精确景观图。这个数据集提供了绝无仅有的机会，让我们能看到暗能量启动并推动宇宙在最宏大的规模上一路演化至今。”

现在利用更有力的统计证据来研究这一转变，将有望带来对暗能量神秘本质的新深刻见解。