「普朗克衛星」是如何報告暗能量的比例的?

2020-12-04 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?

相關焦點

  • 普朗克衛星承載「新物理學」使命
    德國海德堡大學和歐洲大學、研究機構的物理學家組成了「普朗克團隊」,他們分析了歐洲航天局普朗克衛星使命收集的數據,對熱議的物理話題——暗能量和宇宙引力理論取得了新的見識,新的探測成果顯示了「大名鼎鼎」的宇宙學標準模型依然有效,大爆炸模型很好地解釋了宇宙的演變進程。
  • 暗能量不「暗」,研究暗能量或許能夠解釋宇宙的起源與終結
    前面我們說了暗物質,今天來說說暗能量。暗能量是什麼,有的朋友可能會說,就算我們的天文觀測已經證實了我們的宇宙中除了看得見的天體之外還有其他的暗物質,你又怎麼能夠知道暗物質有多少呢?更加奇怪的是暗能量又是從哪裡冒出來的呢?
  • 普朗克衛星的最終數據支持標準宇宙模型,精度史無前例!
    歐洲航天局(ESA)在2009年發射了普朗克衛星,用於繪製宇宙微波背景圖。宇宙微背景波輻射出現在宇宙大爆炸後的38萬年,當時宇宙仍然是一個熾熱且幾乎各向同性的氣體。在2013年,歐洲航天局(ESA)的普朗克任務揭開了宇宙的新圖像:宇宙最初產生的微波輻射的全天空調查。宇宙微波背景輻射是宇宙發出的第一束光,它提供了有關早期宇宙的豐富信息——宇宙的物質組成、膨脹率以及星系前身的原始密度波動。
  • 普朗克衛星數據表明宇宙或是球形
    但3位科學家在最新一期《自然天文學》雜誌撰文稱,普朗克空間天文臺提供的數據表明,宇宙是一個球體,而非目前理論認為那樣是平坦的。支持宇宙暴脹的傳統理論認為,在大爆炸之後,宇宙以一種扁平的方式膨脹。然而據物理學家組織網5日報導,來自英國曼徹斯特大學、義大利羅馬智慧大學以及法國索邦大學的迪瓦倫蒂諾、梅爾基奧裡和希爾克在研究了普朗克天文臺送回地球的數據(這些數據描繪了普朗克衛星在2009—2013年拍攝的宇宙微波背景輻射的情況)之後,開始對傳統觀念提出質疑。他們聲稱,有證據表明宇宙是封閉的,它的形狀像球形。
  • 暗物質與暗能量的「愛恨情仇」,它們究竟有何關係,又有何不同?
    暗物質和暗能量我們都分別介紹了。那麼,它們兩個之間,有什麼共同點和不同點呢?首先,它們的共同點是顯而易見的,那就是都與我們可見的物質幾乎沒有相互作用。正是這個原因,導致我們無從觀測它們。它們不與光子作用,因此我們肉眼看不見;它們也不發生電磁作用(當然光也屬於電磁波),因此包括X射線,γ射線、紅外線、紫外線在內的各種電磁波也探測不到。
  • 普朗克衛星與宇宙微波背景輻射(上)
    他們也要發射一顆與WMAP類似的衛星。但這顆衛星要更加昂貴了,費用達7億歐元,是WMAP的5倍左右。圖1 歐洲空間局發射的普朗克衛星普朗克衛星是歐洲空間局(ESA)發射的用於觀測CMB溫度漲落各向異性的衛星,它是繼COBE和WMAP衛星之後的第三代CMB空間實驗衛星。
  • 暗物質和暗能量可能真的存在,是有多神秘?
    歐洲航天局官員7月17日宣布,「普朗克」任務的最終數據再一次驗證標準宇宙模型,而暗物質和暗能量正是標準模型的重要組成部分。2009年至2013年,「普朗克」衛星對最古老的宇宙光線進行細節空前的觀測。 「普朗克」衛星觀測到的宇宙微波背景「普朗克」衛星的最終數據再次證實標準宇宙模型。歐洲航天局「普朗克」項目科學家加恩塔博爾表示:「這是『普朗克』任務留給我們的一份最重要的遺產。迄今為止,標準宇宙模型經受住了所有考驗。『普朗克』的觀測數據再一次驗證了標準模型。」
  • 暗物質和暗能量可能真的存在!是有多神秘?
    歐洲航天局官員7月17日宣布,「普朗克」任務的最終數據再一次驗證標準宇宙模型,而暗物質和暗能量正是標準模型的重要組成部分。2009年至2013年,「普朗克」衛星對最古老的宇宙光線進行細節空前的觀測。 「普朗克」衛星觀測到的宇宙微波背景「普朗克」衛星的最終數據再次證實標準宇宙模型。
  • 暗能量與宇宙膨脹
    普朗克探測器捕捉到的宇宙微波背景輻射漲落來源:ESA/普朗克另一種方法是觀察宇宙微波背景。雖然宇宙微波背景溫度幾乎一致,約為3 K,但在天空的不同區域,溫度有細微的差異。這些差異的大小取決於宇宙膨脹的速度。普朗克探測器對宇宙微波背景的觀測給了我們一個很好的測量哈勃常數的方法。
  • 加速中的宇宙:暗能量可能潛伏於真空虛無之中
    暗能量組成75%的宇宙,最新研究顯示,暗能量可能潛伏在宇宙虛無之中。  新浪科技訊 北京時間7月4日消息,據國外媒體報導,目前,最新一項研究有助於揭曉暗能量的自然屬性,這些神秘物質使宇宙向外膨脹,暗能量可能從真空虛無波動中浮現出來。  反過來這一觀點也可以解釋宇宙常量,愛因斯坦提出的一個數學常量被稱為「他一生中最大的錯誤」。
  • 宇宙的暗能量看不見,摸不著,那它存在嗎?我們又該如何去發現它
    我談論過天文學家是如何知道暗能量的存在的。即使他們看不見暗能量,但他們可以通過重力對光的影響來探測它。在宇宙中暗物質所佔的比例為27%,暗能量所佔的比例為68%。暗能量到底是什麼天文學家也不知道,他們唯一能確定的就是暗能量確實存在。這麼說吧宇宙中95%的物質都是個迷。我們還不知道那些是些什麼物質。所以這次,我們只把注意力放在暗能量上。
  • 普朗克衛星發布的宇宙組成與高能所早期結果一致
    3月21日,歐洲普朗克(Planck)衛星發布科學結果,改寫了人們廣泛引用的美國威爾金森各向異性探測器(WMAP)關於宇宙組成的結果:宇宙中暗能量的份額從73%變為68-69%,暗物質所佔份額從22%增加為26-26.5%,普通重子物質所佔份額從4.6%變為4.9%。
  • 暗物質暗能量藏身於太空哪個角落,它們真的存在嗎?
    暗物質和暗能量的發現已經有幾十年歷史了,人們發現了暗物質和暗能量存在,並不等於看到了或者「抓住了」這種東西,而是通過理論計算出來的。因為自從愛因斯坦廣義相對論問世後,就成為人們研究宇宙的基本理論,其中的引力場方程成為指導宇宙天體研究的最基礎理論。
  • 《自然》:扭曲的光的暗示為暗能量的本性提供了線索
    宇宙學家說,他們已經發現了很多年前的光在宇宙中移動的方式的一種有趣的扭曲跡象,這可能為暗能量的性質提供線索。暗能量似乎正在推動宇宙以更快的速度膨脹。在普朗克太空望遠鏡收集的宇宙微波背景(CMB)數據中識別出的光扭曲和宇宙的加速可能是由宇宙的「第五元素」產生的,這種奇異的物質普遍存在於宇宙中。
  • 普朗克最新天文圖片展示宇宙大爆炸後瞬間(圖)
    歐洲太空局普朗克衛星拍攝的圖片顯示了宇宙大爆炸後瞬間的情景,並暗示了宇宙的年齡比之前科學家預想的還要老8000萬年。普朗克衛星的描繪圖展示了宇宙最古老的光在宇宙只有38萬歲的時候印在天空時的情景。  這張圖片是基於耗資5.15億英鎊的普朗克太空望遠鏡最初15.5個月搜集的數據。
  • 普朗克衛星揭曉了答案
    這一結果對於我們理解星系如何在宇宙歷史中演化是一個重要的確認。宇宙中大多數星系的核心都有超大/大質量黑洞,其質量是太陽質量的數百萬到數十億倍。這些宇宙怪物中大多數都是「休眠」的,在它們附近幾乎沒有或幾乎沒有活動,但大約有1%被歸類為「活躍」,它們以非常快的速度從周圍環境中吸收物質。
  • 平心而論目前人類對暗物質和暗能量幾近一無所知
    根據普朗克衛星的觀測和分析結果,整個宇宙中普通物質大約佔4.9%、暗物質佔26.8%,暗能量佔68.3%。可見,暗物質和暗能量佔據了宇宙密度的95%以上。然而,這些數據僅僅是建立在理論假設之上,是根據觀測結果反推的理想結論,至於暗物質和暗能量的存在形式、組成結構和運動特徵,基本還處於空白狀態。
  • 科學家發現物質暗能量,或將改變光的軌跡
    據英國報導,科學家們可能已經發現了古代光線在宇宙中穿行的線索,這可能會為暗能量和暗物質的性質提供支撐材料。由此一來,暗能量或將改變光的軌跡。 科普一下,暗能量是一種『奇特力量』的名字,這種力量會導致宇宙隨著時間的推移加速,而不是減速。
  • 宇宙的比例:暗能量佔68.5%,物質佔31.5%?
    構成宇宙的物質是難以衡量的,我們知道宇宙中物質-能量密度大部分由暗能量組成,暗能量是一種神秘的未知力量,促使宇宙膨脹。同時,我們知道剩餘的宇宙成分是正常物質。準確地計算宇宙中暗物質、暗能量以及正常物質的比例很難,但目前研究人員表示,他們已進行了迄今為止最精確的測量,用於確定這些物質的相應比例。
  • 已知物質佔宇宙成分的4.9%,暗物質佔26.8%,其餘68.3%則是暗能量
    NASA於1989年發射了「科比」衛星,其全名便是「宇宙背景探測器」,升高後的「科比」衛星首先在較窄的範圍內,對「宇宙微波背景輻」射進行了精確探測,大約6周後,所公布的探測結果與理論預測幾乎完全吻合。之後「科比」衛星,探測所有方向上的「宇宙微波背景輻射」,旨在繪製宇宙背景輻射的全圖,從而確認宇宙的確存在溫度差異。