早期的暗能量模型可以解決不斷膨脹的宇宙學難題

2020-10-30 科技領航人

黑暗能量和宇宙常數隱含著許多謎團，這些可用來解釋宇宙加速膨脹。新的研究表明，早期的暗能量模型提出了一種相互競爭的理論，該理論提供了當前模型的所有優勢，而沒有帶來與宇宙常數相關的負擔。

圖註：宇宙膨脹圖，宇宙的加速膨脹可以用早期的暗能量模型來解釋。

宇宙不僅在膨脹，而且還在以加速的速度膨脹。然而，儘管天文學家、宇宙學家和物理學家已經意識到這一點已有二十年了，但推動這種膨脹的力量仍然是未知的。作為該力的佔位符或代理，暗能量（一種光滑的類流體成分，用負壓填充宇宙）已插入具有定義該加速度的宇宙常數（用符號Lambda表示）的標準宇宙學模型中。

但是，宇宙這一重要元素的真實本質仍在逃避我們。哥倫比亞波哥大ECCI大學物理學家和天文學家盧桑格拉·加西亞（LuzÁngelaGarcía）和她的合著者，哥倫比亞國立天文臺天文學家萊昂納多·卡斯塔尼達（LeonardoCastañeda）和胡安·曼努埃爾·特耶羅（Juan Manuel Tejeiro）聯合發表在《新天文學》上的新研究，提出了一種新穎的研究方法解決這個宇宙難題。

「我們的工作是提出一種候選暗能量模型的建議，以替代標準宇宙學常數。」 該研究的通訊作者加西亞說，「這個理論模型為當前宇宙的加速膨脹提供了可能的解釋。」她繼續解釋說，本文的新穎之處在於，它可能不需要描述宇宙能量來描述暗能量，從而避免了它所帶來的一些困難，即該常數的理論預測與其實驗值之間的巨大差異。

「宇宙學常數存在嚴重的理論問題。已經提出了許多替代模型，但其中一些模型在數學上必須非常複雜才能提供對現象的物理解釋。」 加西亞說，「我們提出了一種完全不同的暗能量形式，這種暗能量通過構造在宇宙的這一階段產生加速的膨脹，但也隨著紅移而演化；因此，它可以與過去的其他天文觀測聯繫起來。」因此，由加西亞（García）及其合著者提出的「早期暗能量模型」（EDE）—— 一組模型，看到暗能量在早期宇宙中作用，模仿了宇宙常數描述的行為，可以幫助研究人員了解替代方法當前暗能量理論的模型是可能的。

然而，在建議徹底改變暗能量範式的同時，加西亞的工作很大程度上建立在其之前的發現和方法之上。「我們使用了距超新星Ia型（即標準蠟燭）的光度距離，因為它們在光度方面的規律性意味著它們可以被天文學家用來進行距離測量，就像2011年諾貝爾獎獲得者使用它們來發現宇宙加速的膨脹一樣。」 加西亞說，「此外，我們還受到宇宙微波背景和重子聲振蕩（日常重子物質，即質子和中子組成的物質密度的波動）對哈勃參數測量的限制。」

現在是對暗能量和宇宙常數進行嚴格評估的合適時機。儘管圍繞著宇宙加速膨脹的奧秘依然存在，但現代宇宙學的發展已達到某種程度，以至於找到解決方案的可能性似乎比以往任何時候都更加合理。「對於宇宙學來說，這是一個非常有趣的時刻，許多正在進行的和未來的調查旨在發現暗能量及其性質。諸如DES（暗能量調查），DESI（暗能量光譜儀），eBOSS（擴展的重子振蕩光譜）之類的項目調查），而歐幾裡得等人則對可能的暗能量候選物施加了嚴格的限制。」加西亞說，「在不久的將來，我們將獲得一張壯觀的3D地圖，其中包含了宇宙中星系的分布，並隨之揭示了暗能量的最終特徵。」

加西亞補充說，她和她的合著者發現，他們的理論模型是對暗能量及其作用的令人信服的描述，與標準宇宙學常數進行了很好的比較，而沒有引發與後者有關的基本問題。「宇宙充滿了謎團，黑暗和無法解釋的物質——能量成分。我為能夠思考宇宙的這些基本方面而感到非常榮幸和興奮。」加西亞總結說，「我很小的時候就受到了從事天文學事業的啟發，這對女人來說並不容易，尤其是在發展中國家，但這並不容易，但是我堅信科學將會有所回報，並且宇宙將繼續令我們感到驚訝。」

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