「普朗克衛星」是如何報告暗能量的比例的?

2020-12-24 冥維空間

天文觀測資料證實了,宇宙中除了看得見的星體之外,還有其它的暗物質。怎麼能夠知道暗物質有多少呢?更奇怪的是暗能量又是哪兒來的?

什麼是暗能量?

宇宙中的暗能量像是存在於宇宙中,一種均勻的背景,在宇宙的大範圍中,起斥力作用加速宇宙的膨脹,但是又不能嚴格的說它是一種斥力,因此只能稱其為能量,而在現在的物理理論中也不見具有如此秉性的能量,因此稱其為暗能量。

圖解:「暗能量」與「暗物質」是不相同的 (圖源網絡)

平時我們使用「天秤稱」或者是「稱」,就能知道物體的質量,可是「普朗克衛星」又不能把天體拿到秤上去稱,它報告的物質比例又是從何而來的?

首先我們簡單來說說暗能量,來源於宇宙加速膨脹的事實,在天文學中估算天體質量時,人們利用的是在引力理論基礎上建立的各種數學模型,無論是行星、恆星、星系、以及各種天文現象都有其對應的數學模型,這些模型便是「稱量」宇宙的稱。

數學模型中,有許多未知的參數需要由天文觀測的數據來決定,「普朗克衛星」主要就是通過測量微波背景輻射中的細微部分來獲得這些數據的,然後研究人員將這些數據送入計算機,解除數學模型,最後得到各種成分的比例。

圖解:「普朗克衛星」 (圖源網絡)

這是一個相當複雜的過程,包括了許多物理理論知識,數學知識,計算技術,工程技術等等方面的知識,就物理概念的大框架來說,科學家們大概用如下方法估計這個比例

從觀測星系的恆星旋轉速度與引力理論計算之差距,還有以星系作為引力透鏡的效果,可以計算該星系中暗物質相對於正常物質的比值,「普朗克衛星」可以巡視整個可見宇宙中所有的星系,從天文學的角度。天文學家有兩種方法估計宇宙的總質量:

1.從宇宙膨脹的速度和加速度。

2.根據宇宙的整體彎曲情況。

根據廣義相對論的結論,在大質量天體附近時空是彎曲的,那是時空的局部性質。

關於相對論的應用也可以擴大到研究整個宇宙的整體形態,宇宙學研究宇宙的大尺度結構和形態,用來估算宇宙作為一個整體的曲率和形狀,宇宙是開的還是(閉的)。

圖解:宇宙的整體形狀是馬鞍面 (圖源網絡)

如果宇宙的總質量大於臨界質量,比較大的引力效應,使得宇宙的整體形狀為球面。

如果宇宙的總質量小於臨界質量,引力效應更弱一些。

宇宙的整體形狀是馬鞍面,如果宇宙的總質量等於臨界質量或者約等於臨界質量則對應於整體平坦的宇宙,根據宇宙學得到的天體觀測資料,宇宙在大尺度範圍內是平坦的,說明宇宙的總質量大約等於臨界質量,但是從宇宙加速膨脹得到的宇宙總質量,或者考慮平坦宇宙應該具有的臨近總質量都大大超過了觀測所估計的明暗物質的總和。

物理學家提出的暗能量便是為了解釋這個宇宙中組成所缺失的大部分。

圖解:以前科學家假設宇宙的3種形態 (圖源網絡)

天文學家用暗能量來解釋宇宙加速膨脹及宇宙整體平坦的觀測事實,而暗能量作為一種物理,實在其本質又如何解釋呢?

1.認為它是瀰漫於宇宙中的某種標量場,而是認為它類似於某種「真空能」,真空不空且具有能量。但人們很難探測到它的存在。

圖解:愛因斯坦與(「廣義相對論」造成時空彎曲)、廣義相對論驗證水星近日點運動,多出來的43秒是怎麼產生的。

2.實際上與愛因斯坦在引力場方程中引入宇宙常數有關,廣義相對論與其它物理理論類似,數學模型用微積分方程表示,根據已知條件求出方程的解,引力場方程是聯繫物質分布與時空幾何的方程,已知條件是空間中的物質分布方程的解則是時空的幾何。當初愛因斯坦提出廣義相對論時,物理界普遍認為宇宙是整體靜態的,既不膨脹也不收縮,愛因斯坦在它的方程中加上了宇宙常數一項,其目的就是用以維持一個靜止的宇宙途徑。之後哈勃的證實妥妥的打了他的臉,宇宙不是靜止的,而是在不斷膨脹的,這個觀測也使得愛因斯坦懊惱不已,為了引入那個宇宙常數而耿耿於懷,要將宇宙常數收回去,認為是自己所犯的最大的錯誤。再到後來到了愛因斯坦早已經去世了,1998年,天文學家又證實了宇宙不但在膨脹還是加速的膨脹,所以為了解釋加速膨脹,為了解釋暗能量,天文學家和物理學家,又把愛因斯坦丟棄的宇宙常數當寶貝一樣的撿了回來,不知道愛因斯坦在天有靈,聽到這個消息又將作何表情呢?

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