這裡先說明一點,天文學研究天文現象時,所採用的是一個個模型,這是因為在天文學領域,做觀測時,所能夠掌握的數據量極其少,這時候,就得依靠模型來匹配。模型說白了就是一次觀測和理論物理學的有機結合體。而研究宇宙的狀態其實是和宇宙模型有關的。
而最早關於宇宙的模型是地心說模型,之後又出現了日心說模型,然後有牛頓的宇宙模型,還有愛因斯坦的宇宙模型,當然,還有一個穩恆態模型等等。
當然,也有我們熟悉的宇宙大爆炸模型,可是其實宇宙大爆炸模型並不是我們如今正在使用的宇宙模型,如今正在使用的宇宙模型叫做ΛCDM模型。那什麼是ΛCDM模型呢?
ΛCDM模型
如果我們要把ΛCDM模型直接簡單粗暴地翻譯過來,那應該叫做「宇宙學常數-冷暗物質模型」,所以,你看,在這個模型裡面你實際上連一個大爆炸的字眼都看不到。但並不是說,這個模型和大爆炸沒有關係,它實際上是基於大爆炸理論建立起來的,但是它同時又描述出了目前科學家正在關心的兩個宇宙的普遍問題。
首先,我們來說冷暗物質,暗物質其實你應該並不陌生了,之前中國悟空探測器就曾經對外宣布:可能找到了暗物質的證據。這個暗物質到底是幹嘛的呢?
簡單一句話,它是星系的粘合劑,意思是如果沒有暗物質,星系就會分崩離析。你還別不信,我們要先搞清楚,星系實際上是依靠引力拽住各種天體的。如果你甩過那種帶線的耳機,你就會發現,甩得越快,耳機就越容易飛出去,所以你就需要更大的勁拉住。現在很多星系就是這樣,外圍的恆星走得特別快,按照目前的理論計算,引力是不足以拉住它們的,之所以能夠來住它們就是因為暗物質提供了額外的引力。所以,我們才說暗物質是星系的粘合劑,如果沒有了它,星系就會散架。
宇宙學常數Λ
至於宇宙學常數是幹嘛的呢?這要從愛因斯坦說起,愛因斯坦在提出廣義相對論的時候,就發現自己的提出的引力場方程和自己的理念不一樣,具體來說就是,愛因斯坦覺得宇宙是永恆的,不變得,而方程則告訴他,宇宙在膨脹。於是,為了讓方程符合自己的預期,他加了一個宇宙學常數來抵抗宇宙膨脹,讓這個方程描述的宇宙是靜態的。
看到了吧?這裡的宇宙學常數用到的就是符號Λ。可是好景不長,哈勃通過觀測星系的紅移,他就發現,宇宙是在膨脹的,這簡直就是強行打臉愛因斯坦。
愛因斯坦也很尷尬啊,沒辦法,宇宙學常數對來說簡直是人生的一大敗筆,於是,該拿掉就得拿掉。
神反轉
你以為這事就這麼完了麼?其實並沒有,後來1998年,幾位科學家為了確認宇宙具體的膨脹效應,是加速膨脹呢,減速膨脹還是勻速膨脹?於是,他們觀測了一種叫做1a型的超新星。
這種超新星被叫做標準燭光,這是因為這是由白矮星通過襲吸積的機制使質量幾乎一致,所以它們就會產生抑制的峰值光度,也就是說,可以利用這個特點來測量宿主星系。
他就發現,宇宙竟然是在加速膨脹的。而這個結果還是兩個科研小組各自獨立發現的結果,並且得到了確認。
所以,2011年,諾貝爾物理學頒給了兩個科研小組的負責人。
而這個方向,說明了什麼呢?愛因斯坦的引力場方程需要加一個常數,之前去掉宇宙學常數,因為宇宙在膨脹,去掉後,就是勻速膨脹的結果,而這次還要再加上一個宇宙學常數,這個常數表述的其實就是加速膨脹的結果。也就是說,事情發生了神反轉,愛因斯坦的宇宙學常數又得到了復活。(雖然兩次所表述的意義是不同的)
也正因此,宇宙學常數Λ被用來表達宇宙加速膨脹的效應,而科學家認為宇宙中應該存在一種真空能,它提供與引力相反的斥力,這才使得宇宙加速膨脹。並且把真空能命名為暗能量。通過計算,我們可以得知,暗能量佔到了全宇宙68.3%的總量。
所以,實際上ΛCDM模型是暗能量-暗物質模型。而這裡的暗能量就是使得宇宙加速膨脹的原因。