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能量|“水态”暗能量？“冰态”暗能量？

宇宙星系能量宇宙微波背景杨伯顺斯洛特

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编译：王婧彧
校对：王茸 张砚斌 杨伯顺 张宇辰
审阅：牧夫校对组
美编：崔郁
后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳
能量|“水态”暗能量？“冰态”暗能量？
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Credit: CC0 Public Domain
我们知道 ， 宇宙在138亿年前的大爆炸中诞生 ， 从此以后它开始膨胀 。 膨胀从未停止过——直到现在 ， 它仍像正在充了气的气球一样 ， 朝着四面八方不断扩张 。
物理学家们对这一点并无异议 ， 但是有一个地方却感觉不对 。 那就是 ， 用不同的方法测量膨胀速度 ， 得到的结果也不同 。
那么 ， 是测量方法出错了吗？抑或是 ， 物理学家们忽略了宇宙中的某些机制？
包括南丹麦大学（SDU）的宇宙学教授马丁?斯洛特(Martin S. Sloth)在内的几位物理学家认为 ， 后者的可能性更大 。
在一篇新的论文中 ， 他和他的SDU同事 ， 博士后佛瑞恩?尼德曼(Florian Niedermannn)共同提出宇宙中可能存在另外一种暗能量 。 如果在计算宇宙膨胀时把这种暗能量考虑进去 ， 结果就会更接近现实 。 斯洛特说 ， 这种新的暗能量能解决相互矛盾的计算结果问题 。
相互矛盾的计算
当物理学家们计算宇宙的膨胀速度(被称作哈勃常数)时 ， 他们是基于这样一个假设：宇宙是由暗能量、暗物质和普通物质构成的 。 直到最近之前 ， 所有的观测都符合这种描述宇宙物质和能量组成的模型 ， 但是例外出现了 。
在研究超新星和宇宙微波背景辐射的最新测量数据时 ， 出现了相互矛盾的结果 。
具体地说 ， 目前天文学家们测量宇宙膨胀速度的方法有两种 。 一个是基于对邻近星系的距离与速度之间关系的测量 ， 另一个是来自于对早期宇宙背景辐射的测量 。 这两种方法得到的结果很不同 。 如果这种不一致的确存在 ， 那么对于宇宙的演化就需要一个新的诠释 。 但是 ， 这种矛盾也有可能来源于测量误差 。 在宇宙中测量距离十分困难 ， 因此许多研究着眼于提高和校准对于距离的测量 。
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宇宙微波背景辐射
Credit: NASA/WMAP Science Team
去年 ， 来自DAWN（宇宙黎明中心 ， Cosmic Dawn Center）的研究人员提出了新的想法：测量速度 。 遥远天体远离我们时 ， 它发出的光会红移 。 利用红移 ， 我们从遥远星系的光谱中就能计算其速度 。 不同于测量距离 ， 目前测量速度被认为更为简单 。
在测量速度时 ， 有两种选择 。 一个是测量宿主星系远离我们的速度 ， 这被认为是最可靠的 。 另外一种是测量星系中爆炸的恒星喷射出来的物质的速度 。 或者 ， 更准确的是测量超新星抛射出来的 ， 那些以光速的百分之几的速度朝我们飞来的物质的速度 。 研究人员发现 ， 利用这两种方法得到的结果指向了两种不同的宇宙演化途径 ， 以及不同的组成成分 。
斯洛特说道 ， “在我们的模型中 ， 我们发现如果早期宇宙中存在另外一种暗能量 ， 就能同时解释超新星和宇宙微波背景辐射的数据 ， 使它们不再有矛盾 。 ”
暗能量的“相变”
斯洛特解释道 ， “我们相信 ， 在早期宇宙中 ， 暗能量是以一种不同的相态存在的 。 你可以把它比作正在变冷的水 ， 在向密度更低的冰进行相态转变 。 ”
“同样的 ， 模型中的暗能量也在经历着向密度更低的相态转变的过程 ， 因此它对宇宙膨胀的影响也会有变化 。 ”
根据斯洛特和尼德曼的计算 ， 如果你能想象暗能量经历了由宇宙的膨胀而引起的相态转变的话 ， 结果是符合现实的 。
“暴力”的新相态
斯洛特表示 ， 在相态转变的时候 ， 许许多多的新相态泡泡会突然出现 ， 当这些泡泡膨胀并破裂时 ， 相态转变就完成了 。 在宇宙尺度上 ， 这是一个很暴力的量子力学过程 。
现在 ， 我们知道宇宙中大约20%的物质的组成 。 你 ， 我 ， 行星和星系都是由这种物质构成的 。 但是宇宙中还有暗物质 ， 至今没有人知道它到底是什么 。
除此之外 ， 暗能量占宇宙能量密度的70% ， 它正在使宇宙不断膨胀 。
参考文献
https://phys.org/news/2021-03-mystery-expansion-universe.html
https://phys.org/news/2020-10-expansion-universe-importance-velocity.html
责任编辑：杨伯顺
牧夫新媒体编辑部
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微信公众号：astronomycn
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