暗物質是如何影響宇宙大爆炸的?來看看天文學家怎麼說?

一場永無止境的比賽:膨脹vs引力

一場永無止境的比賽:膨脹vs引力

上一代人對宇宙最大的發現也許是在20世紀末,當時我們發現了一個最令人不安的宇宙真理:遙遠的星系,隨著時間的推移,不僅僅是從我們身邊退去,而且是在加速遠離我們。由超新星宇宙學項目和高-z超新星搜尋小組發現的宇宙加速膨脹現象,曾獲得2011年諾貝爾物理學獎,但卻是宇宙中最奇異、最無法解釋的現象之一。問題是,宇宙並不總是這樣加速遠離我們。數十億年來,擴張速度在放緩,而對於一個活生生的100億年前的人來說,宇宙可能看起來像是會塌陷。讓我們看看發生了什麼,以及我們如何知道。

在20世紀20年代,四個證據——三個觀測證據和一個理論證據——結合起來告訴我們宇宙正在膨脹。他們是:

  • 發現夜空中的螺旋星雲實際上是星系,或者說是「島嶼宇宙」,處於銀河系之外並有數十億顆自己的恆星。

  • 維斯托·斯利弗對這些星系的紅移和藍移的測量,決定了這些星系遠離我們(對於紅移)或靠近我們(對於藍移)移動的速度,而絕大多數都是遠離我們的。

  • 埃德溫·哈勃和他的助手米爾頓·休馬森測量到這些星系的距離。觀測結果加上滑翔者,顯示了一個清晰的關係:平均來說,星系離我們越遠,它遠離我們的速度越快。

  • 最後,愛因斯坦的廣義相對論帶來了理論上的巨大飛躍:人們認識到,除非宇宙膨脹或收縮,否則各個方向上充滿了密度近似相等的星系的宇宙將是不穩定的。

這導致了一幅早在1929年的宇宙圖片,那個時候宇宙比現在更熱、更密集、膨脹更迅速,隨著時間的推移宇宙變得更冷、密度更小,而且膨脹速度變慢。

如果你在大爆炸的背景下思考,這是有意義的。想象宇宙大爆炸是一個偉大宇宙競賽的發令槍,一方面是最初膨脹速度驚人的競賽,另一方面是可以把一切拉回一起的萬有引力的競賽。你可以很容易地想象出三種不同的可能性,每種可能性都會給宇宙帶來不同的命運:

  • 大擠壓。也許最初的膨脹速度很快,但隨著時間的推移,重力所施加的作用變得更強。擴張速度將放緩,然後停止。宇宙將達到最大尺寸,然後開始收縮。最後,它會在本質上是宇宙大爆炸的逆過程中的塌陷,

  • 冷寂。這是相反的情況:膨脹開始得很快,重力作用會使其減速,但這不足以使其停下來。膨脹會以極快的速度永遠持續下去,雖然重力一直在減緩它的速度,但從未成功地使它停止。這種情況被稱為宇宙的熱寂,或冷寂。

  • 臨界宇宙。還有一種可能性是,你正好處在兩者的邊緣,膨脹率和重力相互完美平衡,膨脹率隨著時間的推移而減慢,並逐漸趨於零。如果此時宇宙中只多一個或少一個粒子,你就會得到上面的第一個或第二個場景,但粒子不在那裡。這種「臨界宇宙」的情況會導致你能想象到的最慢的熱死亡。

數十億年來,這起臨界狀況似乎要勝訴。你看,當你生活在宇宙中觀察不同的星系時,你不僅可以測量今天的膨脹率是多少,而且通過觀察更遙遠的星系,你還可以測量宇宙歷史上早期的膨脹率是多少。

所以數十億年來,準確地說,大約70億年,我們生活在一個臨界宇宙中。膨脹開始主要是輻射(光子和中微子),然後冷卻到足以使物質(包括正常物質和暗物質)佔據主導地位。隨著宇宙不斷膨脹,物質密度不斷下降,因為物質密度只是質量(這是一個常數)除以體積(這是增加的)。

但在某個時刻,物質密度下降到如此低的值,以至於另一個對宇宙能量密度更微妙的貢獻開始顯現:暗能量。在70億年左右,暗能量的值達到總能量密度的百分之幾,到宇宙78億年時,暗能量密度達到了一個非常重要的值:佔宇宙總能量密度的33%。這是一個很重要的值,因為在一個充滿物質的宇宙中,這是導致膨脹率開始加速所必需的暗能量!

從那時起,大約60億年前,物質密度持續下降,而暗能量保持不變。目前,暗能量約佔宇宙總能量的68%,物質的總能量約為32%(暗物質佔27%,正常物質佔5%)。未來隨著時間的推移,物質密度將繼續下降,而暗能量密度將保持不變,這意味著暗能量將越來越占主導地位。

對於單個星系來說,這意味著,從我們的角度來看,一個在大爆炸時刻就開始迅速從我們身邊消失的星系,在最初的78億年裡,它明顯的衰退速度將會減慢。在那一刻,衰退的速度將停止放緩,並將在短時間內保持不變。從那時起,它就會加速,隨著我們和遙遠星系之間的空間以越來越快的速度膨脹,它會以越來越快的速度後退。在某種程度上——令人恐懼的是,這已經可以適用於可見宇宙中97%的星系——我們所在星系群以外的每一個星系似乎都以大於光速的速度後退,因為物理的侷限性,我們永遠無法到達它。

據我們所知,宇宙總是擁有它今天固有的暗能量。但是,這花費了78億年或者說整個宇宙的歷史,即在我們太陽系形成之前大約15億年,物質密度才下降到暗能量主宰宇宙膨脹的程度。從那時起,我們所在星系群以外的所有星系都在加速遠離我們,並將繼續這樣下去,直到最後一個星系消失。在過去的60億年裡,宇宙一直在加速,如果我們來得早一些,我們可能永遠不會考慮一個超越了直覺能引導我們的三種可能性之外的選擇。事實上我們現在能夠準確地感知宇宙並得出結論,這也許是最大的回報。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

FY: 陳星雨

作者: Ethan Siegel

選文:天文志願文章組- Senior Contributor

翻譯:天文志願文章組-陳星雨

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料(備份)

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/02/24/how-long-has-the-universe-been-accelerating/#54d01b34577c

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