'宇宙是由什麼構成的？|《科學通報》解讀Science 125個前沿問題'
張鵬傑，上海交通大學物理與天文系特聘教授。1997年北京大學本科畢業, 2003年多倫多大學博士畢業, 2003~2005年在費米實驗室做博士後, 2005年入選中國科學院百人計劃, 任中國科學院上海天文臺研究員, 2012年12月加入上海交通大學。獲得國家傑出青年科學基金(2010)、中國天文學會黃授書獎(2012)。研究領域是宇宙學, 重點是宇宙大尺度結構及其在基礎宇宙學物理中的應用。
"張鵬傑，上海交通大學物理與天文系特聘教授。1997年北京大學本科畢業, 2003年多倫多大學博士畢業, 2003~2005年在費米實驗室做博士後, 2005年入選中國科學院百人計劃, 任中國科學院上海天文臺研究員, 2012年12月加入上海交通大學。獲得國家傑出青年科學基金(2010)、中國天文學會黃授書獎(2012)。研究領域是宇宙學, 重點是宇宙大尺度結構及其在基礎宇宙學物理中的應用。
宇宙是由什麼構成的? 這是一個古老而深刻的問題。20世紀70年代, 粒子物理標準模型建立。人類見過的所有粒子, 盡數納入囊中。然而到世紀之交的時候, 天文學卻令人震驚地發現: 粒子物理標準模型只能涵蓋宇宙中5%的物質和能量。宇宙中佔95%的, 是暗物質(27%)和暗能量(68%)[1]。
暗物質、暗能量, 顧名思義, 不發光, 不是粒子物理標準模型所能涵蓋的普通物質。它們就分佈在我們周圍, 但是與普通物質幾乎沒有重力之外的相互作用, 因此從來沒有在任何物理實驗中顯形, 也從來沒有在太陽系中露面。然而在十萬光年量級的星系尺度上, 暗物質的力量展現無遺, 它們產生的引力束縛住千億顆以幾百公里每秒速度飛奔的恆星, 使得星系不至於分崩離析; 在百萬光年量級的星系團尺度上, 暗物質產生的引力竟然能束縛住以上千公里每秒速度狂奔的龐大星系, 甚至扭曲時空, 把遙遠星系發出的光拉成巨大的光弧。
但是, 在千萬光年及更大的尺度上, 暗能量才是宇宙演化的主宰。暗能量是一種神祕的未知場, 具有負的壓強, 狀態方程(壓強與能量的比值)約等於-1, 因此產生排斥性的重力, 在宇宙中近乎均勻分佈。它產生的斥力使得宇宙的膨脹越來越快。
暗物質、暗能量顛覆了人類對宇宙構成的認知, 揭示了未知物理規律的冰山一角, 預示著新的物理學革命的到來。但是, 目前所有的證據均來自天文學。
20世紀30年代, 天文學家茲威基(Fritz Zwicky)發現后髮座(Coma)星系團中的成員星系運動得很快。要束縛住這些星系, 就要求星系團中存在大量看不見的物質(即“暗物質”)來提供足夠大的引力。60年代以來, 女天文學家魯賓(Vera Rubin)等人[2]發現旋渦星系中恆星圍繞星系中心的旋轉速度遠大於預期, 表明星系中存在大量的暗物質。在這之後, 暗物質的存在成為天文學界的共識。到了21世紀, 引力透鏡的觀測進一步表明, 星系之間的宇宙空間, 也存在大量的暗物質。這些暗物質產生的引力透鏡效應, 使得遙遠星系的圖像平均被扭曲了1%的量級。
這些看不見的暗物質是什麼? 黑洞? 中子星? 白矮星? 其他由普通物質組成的緻密但是不發光的天體? 都不是! 宇宙學尺度上的結構形成要求宇宙中的普通物質加暗物質佔約30%。而宇宙大爆炸核合成則告訴我們普通物質佔約5%。因此暗物質不是普通物質, 而是超出粒子物理標準模型的未知物質, 天文學上一般稱為非重子暗物質, 以區別於主要由重子組成的普通物質。另一個更加確鑿的證據來自宇宙微波背景輻射。非重子暗物質的存在會調製宇宙早期輻射——物質流體中的聲波振盪, 從而在宇宙微波背景輻射中留下獨特的印記。2003年以來, WMAP, Planck等[1]宇宙微波背景輻射試驗精確的測量了這些印記, 發現非重子暗物質約是普通物質的6倍。
暗物質是決定宇宙結構形成的主導力量。與普通物質一樣, 暗物質的壓強相對於其密度可以忽略不計。因此暗物質與普通物質的引力行為基本相同。因為暗物質遠多於普通物質, 所以暗物質是宇宙中結構形成的基石, 是維繫星系和星系團動力學穩定性的關鍵。在銀河系中, 太陽以約220 km/s的巨大速度運動。它之所以沒有被巨大的離心力甩出銀河系, 暗物質起了重要作用; 從物質分佈極度均勻的早期宇宙演化出物質高度密集的星系, 暗物質也起了核心作用。在引力作用下, 暗物質逐漸聚集、成團, 形成暗物質暈, 星系就是在這些暗物質暈中形成的。星系巡天中發現了橫亙10億~20億的巨大“星系長城”, 暗物質正是其中的骨架。
至於暗能量, 早在20世紀80年代, 就有宇宙學家推測出了它的存在。但是, 暗能量被天文和物理學界廣泛接受則來自1998年Ia型超新星的觀測結果。Ia型超新星是宇宙中的“標準燭光”, 能夠從它們的亮度測量出它們的距離, 從而換算成宇宙大小隨時間的演化。通過遙遠超新星的觀測, 2個天文學團組發現宇宙的膨脹速度不僅僅沒有在重力作用下變得越來越慢, 反而變得越來越快[3,4]! 這是一項革命性的發現, 因此3位負責人(Saul Perlmutter, Adam Riess, Fabian Schmidt)榮獲2011年諾貝爾物理學獎。按照廣義相對論, 宇宙的加速膨脹表明宇宙中存在一種未知的能量場, 即暗能量。它的狀態方程約等於-1, 從而其重力體現為排斥力, 導致宇宙膨脹的加速。
超新星的證據之外, 暗能量的存在也得到了多方位觀測證據的支持。例如, 2011年5月, 阿塔卡馬宇宙學望遠鏡(Atacama cosmology telescope)在宇宙微波背景中找到了暗能量的蹤影。不同於以往的是, 新的證據完全來自於宇宙微波背景觀測數據, 即不依賴於任何其他觀測數據。原因在於, 此前3月份該望遠鏡首次測量到了低紅移處宇宙大尺度結構造成的宇宙微波背景弱引力透鏡現象(CMB lensing)。該測量打破了宇宙微波背景宇宙學中的一個幾何簡併, 從而掃除了獨立從宇宙微波背景中發現暗能量的障礙。而2013年以來, Planck衛星微波背景輻射試驗則用同樣方法更加確鑿地證實了暗能量的存在。
因為暗能量的重力作用體現為排斥力, 所以暗能量基本不成團, 在宇宙空間中均勻分佈。由於這個特性, 很難從單個星系或星系團中找到暗能量的蹤跡。那麼, 暗能量如何探測呢? 除去導致宇宙加速膨脹之外, 它減慢了宇宙結構增長的速率, 因此在宇宙大尺度結構中留下獨特印記。天文學家已掌握了多種方法來從海量天文數據中提取出暗能量的信息。
宇宙浩渺無垠、繽紛多彩, 因此天文學家掌握著眾多探測暗物質、暗能量的方法。值得一提的是, 不同方法都給出了一致的結果: 暗物質約27%, 暗能量約68%。這些方法包括宇宙微波背景輻射、重子聲波振盪、Ia型超新星、紅移畸變、星系團計數、弱引力透鏡等, 相互獨立, 交叉驗證, 使得暗物質和暗能量的存在更加令人信服。基於此的宇宙學模型因此被稱為協和宇宙學(concordance cosmology), 能夠解釋幾乎所有宇宙學觀測數據, 因此已成為宇宙學標準模型。
然而, 暗物質到底是什麼? 暗能量又是什麼? 我們所知甚少。暗物質可能是一種弱相互作用重粒子(weakly interacting massive particles), 有微小但不為零的概率與普通物質發生作用。目前有很多地下試驗(例如上海交通大學主持的PandaX試驗和清華大學主持的CDEX試驗)正在搜尋暗物質造成的核反衝。暗物質粒子之間也可能發生湮滅, 產生伽馬射線(連續譜或譜線均有可能)、正電子等, 是Fermi衛星、alpha磁譜儀、我國剛剛發射的“悟空”(DAMPE)暗物質衛星等搜尋暗物質的方法; 暗物質粒子也可能發生衰變, 從而改變宇宙早期微波背景輻射、黑暗時代和再電離過程。
暗能量則可能是宇宙學常數, 由愛因斯坦在80多年前引入廣義相對論場方程。但是, 沒有令人信服的機制能夠解釋其觀測值的大小——基於真空零點能的估算值比觀測值大了超過100個數量級; 暗能量也可能是某種動力學場, 其性質隨著時間演化。動力學暗能量和宇宙學常數的區別在於其狀態方程w一般不等於-1, 而且隨時間改變。甚至, 這種動力學場存在所謂tracker解, 有助於緩解所謂的巧合問題: 為什麼暗能量和物質密度恰恰在近期差不多大小? 甚至, 有可能根本不存在暗能量, 而是廣義相對論在宇宙學尺度上出現了問題。近10年關於修改引力的研究取得了巨大進展, 例如修改引力屏蔽機制的發現和修改引力數值模擬等, 這又反過來促進了廣義相對論的宇宙學檢驗以及成團暗能量的研究。今後10年左右的時間, 將開展多個規模宏大的第4代暗能量巡天項目, 包括Euclid衛星、WFIRST衛星項目、基於LSST 6 m地面望遠鏡的測光巡天、基於Mayall 4 m望遠鏡的DESI光譜巡天和基於8 m Subaru望遠鏡的PFS光譜巡天等。這些巡天將通過重子聲波振盪、弱引力透鏡、紅移畸變等多種方法探索暗能量, 有望精確測量暗能量狀態方程、在宇宙學尺度上檢驗廣義相對論, 從而打開新物理的窗口。
參考文獻
1 Planck C, Ade P A R, Aghanim N, et al. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Astron Astrophys, 2014, 571: A16–A81
2 Rubin V C, Ford Jr W K. Rotation of the andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophys J, 1970, 159: 379–403
3 Riess A G, Filippenko A V, Challis P, et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant. Astron J, 1998, 116: 1009–1038
4 Perlmutter S, Aldering G, Goldhaber G, et al. Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae. Astrophys J, 1999, 517: 565–586
"張鵬傑，上海交通大學物理與天文系特聘教授。1997年北京大學本科畢業, 2003年多倫多大學博士畢業, 2003~2005年在費米實驗室做博士後, 2005年入選中國科學院百人計劃, 任中國科學院上海天文臺研究員, 2012年12月加入上海交通大學。獲得國家傑出青年科學基金(2010)、中國天文學會黃授書獎(2012)。研究領域是宇宙學, 重點是宇宙大尺度結構及其在基礎宇宙學物理中的應用。
宇宙是由什麼構成的? 這是一個古老而深刻的問題。20世紀70年代, 粒子物理標準模型建立。人類見過的所有粒子, 盡數納入囊中。然而到世紀之交的時候, 天文學卻令人震驚地發現: 粒子物理標準模型只能涵蓋宇宙中5%的物質和能量。宇宙中佔95%的, 是暗物質(27%)和暗能量(68%)[1]。
暗物質、暗能量, 顧名思義, 不發光, 不是粒子物理標準模型所能涵蓋的普通物質。它們就分佈在我們周圍, 但是與普通物質幾乎沒有重力之外的相互作用, 因此從來沒有在任何物理實驗中顯形, 也從來沒有在太陽系中露面。然而在十萬光年量級的星系尺度上, 暗物質的力量展現無遺, 它們產生的引力束縛住千億顆以幾百公里每秒速度飛奔的恆星, 使得星系不至於分崩離析; 在百萬光年量級的星系團尺度上, 暗物質產生的引力竟然能束縛住以上千公里每秒速度狂奔的龐大星系, 甚至扭曲時空, 把遙遠星系發出的光拉成巨大的光弧。
但是, 在千萬光年及更大的尺度上, 暗能量才是宇宙演化的主宰。暗能量是一種神祕的未知場, 具有負的壓強, 狀態方程(壓強與能量的比值)約等於-1, 因此產生排斥性的重力, 在宇宙中近乎均勻分佈。它產生的斥力使得宇宙的膨脹越來越快。
暗物質、暗能量顛覆了人類對宇宙構成的認知, 揭示了未知物理規律的冰山一角, 預示著新的物理學革命的到來。但是, 目前所有的證據均來自天文學。
20世紀30年代, 天文學家茲威基(Fritz Zwicky)發現后髮座(Coma)星系團中的成員星系運動得很快。要束縛住這些星系, 就要求星系團中存在大量看不見的物質(即“暗物質”)來提供足夠大的引力。60年代以來, 女天文學家魯賓(Vera Rubin)等人[2]發現旋渦星系中恆星圍繞星系中心的旋轉速度遠大於預期, 表明星系中存在大量的暗物質。在這之後, 暗物質的存在成為天文學界的共識。到了21世紀, 引力透鏡的觀測進一步表明, 星系之間的宇宙空間, 也存在大量的暗物質。這些暗物質產生的引力透鏡效應, 使得遙遠星系的圖像平均被扭曲了1%的量級。
這些看不見的暗物質是什麼? 黑洞? 中子星? 白矮星? 其他由普通物質組成的緻密但是不發光的天體? 都不是! 宇宙學尺度上的結構形成要求宇宙中的普通物質加暗物質佔約30%。而宇宙大爆炸核合成則告訴我們普通物質佔約5%。因此暗物質不是普通物質, 而是超出粒子物理標準模型的未知物質, 天文學上一般稱為非重子暗物質, 以區別於主要由重子組成的普通物質。另一個更加確鑿的證據來自宇宙微波背景輻射。非重子暗物質的存在會調製宇宙早期輻射——物質流體中的聲波振盪, 從而在宇宙微波背景輻射中留下獨特的印記。2003年以來, WMAP, Planck等[1]宇宙微波背景輻射試驗精確的測量了這些印記, 發現非重子暗物質約是普通物質的6倍。
暗物質是決定宇宙結構形成的主導力量。與普通物質一樣, 暗物質的壓強相對於其密度可以忽略不計。因此暗物質與普通物質的引力行為基本相同。因為暗物質遠多於普通物質, 所以暗物質是宇宙中結構形成的基石, 是維繫星系和星系團動力學穩定性的關鍵。在銀河系中, 太陽以約220 km/s的巨大速度運動。它之所以沒有被巨大的離心力甩出銀河系, 暗物質起了重要作用; 從物質分佈極度均勻的早期宇宙演化出物質高度密集的星系, 暗物質也起了核心作用。在引力作用下, 暗物質逐漸聚集、成團, 形成暗物質暈, 星系就是在這些暗物質暈中形成的。星系巡天中發現了橫亙10億~20億的巨大“星系長城”, 暗物質正是其中的骨架。
至於暗能量, 早在20世紀80年代, 就有宇宙學家推測出了它的存在。但是, 暗能量被天文和物理學界廣泛接受則來自1998年Ia型超新星的觀測結果。Ia型超新星是宇宙中的“標準燭光”, 能夠從它們的亮度測量出它們的距離, 從而換算成宇宙大小隨時間的演化。通過遙遠超新星的觀測, 2個天文學團組發現宇宙的膨脹速度不僅僅沒有在重力作用下變得越來越慢, 反而變得越來越快[3,4]! 這是一項革命性的發現, 因此3位負責人(Saul Perlmutter, Adam Riess, Fabian Schmidt)榮獲2011年諾貝爾物理學獎。按照廣義相對論, 宇宙的加速膨脹表明宇宙中存在一種未知的能量場, 即暗能量。它的狀態方程約等於-1, 從而其重力體現為排斥力, 導致宇宙膨脹的加速。
超新星的證據之外, 暗能量的存在也得到了多方位觀測證據的支持。例如, 2011年5月, 阿塔卡馬宇宙學望遠鏡(Atacama cosmology telescope)在宇宙微波背景中找到了暗能量的蹤影。不同於以往的是, 新的證據完全來自於宇宙微波背景觀測數據, 即不依賴於任何其他觀測數據。原因在於, 此前3月份該望遠鏡首次測量到了低紅移處宇宙大尺度結構造成的宇宙微波背景弱引力透鏡現象(CMB lensing)。該測量打破了宇宙微波背景宇宙學中的一個幾何簡併, 從而掃除了獨立從宇宙微波背景中發現暗能量的障礙。而2013年以來, Planck衛星微波背景輻射試驗則用同樣方法更加確鑿地證實了暗能量的存在。
因為暗能量的重力作用體現為排斥力, 所以暗能量基本不成團, 在宇宙空間中均勻分佈。由於這個特性, 很難從單個星系或星系團中找到暗能量的蹤跡。那麼, 暗能量如何探測呢? 除去導致宇宙加速膨脹之外, 它減慢了宇宙結構增長的速率, 因此在宇宙大尺度結構中留下獨特印記。天文學家已掌握了多種方法來從海量天文數據中提取出暗能量的信息。
宇宙浩渺無垠、繽紛多彩, 因此天文學家掌握著眾多探測暗物質、暗能量的方法。值得一提的是, 不同方法都給出了一致的結果: 暗物質約27%, 暗能量約68%。這些方法包括宇宙微波背景輻射、重子聲波振盪、Ia型超新星、紅移畸變、星系團計數、弱引力透鏡等, 相互獨立, 交叉驗證, 使得暗物質和暗能量的存在更加令人信服。基於此的宇宙學模型因此被稱為協和宇宙學(concordance cosmology), 能夠解釋幾乎所有宇宙學觀測數據, 因此已成為宇宙學標準模型。
然而, 暗物質到底是什麼? 暗能量又是什麼? 我們所知甚少。暗物質可能是一種弱相互作用重粒子(weakly interacting massive particles), 有微小但不為零的概率與普通物質發生作用。目前有很多地下試驗(例如上海交通大學主持的PandaX試驗和清華大學主持的CDEX試驗)正在搜尋暗物質造成的核反衝。暗物質粒子之間也可能發生湮滅, 產生伽馬射線(連續譜或譜線均有可能)、正電子等, 是Fermi衛星、alpha磁譜儀、我國剛剛發射的“悟空”(DAMPE)暗物質衛星等搜尋暗物質的方法; 暗物質粒子也可能發生衰變, 從而改變宇宙早期微波背景輻射、黑暗時代和再電離過程。
暗能量則可能是宇宙學常數, 由愛因斯坦在80多年前引入廣義相對論場方程。但是, 沒有令人信服的機制能夠解釋其觀測值的大小——基於真空零點能的估算值比觀測值大了超過100個數量級; 暗能量也可能是某種動力學場, 其性質隨著時間演化。動力學暗能量和宇宙學常數的區別在於其狀態方程w一般不等於-1, 而且隨時間改變。甚至, 這種動力學場存在所謂tracker解, 有助於緩解所謂的巧合問題: 為什麼暗能量和物質密度恰恰在近期差不多大小? 甚至, 有可能根本不存在暗能量, 而是廣義相對論在宇宙學尺度上出現了問題。近10年關於修改引力的研究取得了巨大進展, 例如修改引力屏蔽機制的發現和修改引力數值模擬等, 這又反過來促進了廣義相對論的宇宙學檢驗以及成團暗能量的研究。今後10年左右的時間, 將開展多個規模宏大的第4代暗能量巡天項目, 包括Euclid衛星、WFIRST衛星項目、基於LSST 6 m地面望遠鏡的測光巡天、基於Mayall 4 m望遠鏡的DESI光譜巡天和基於8 m Subaru望遠鏡的PFS光譜巡天等。這些巡天將通過重子聲波振盪、弱引力透鏡、紅移畸變等多種方法探索暗能量, 有望精確測量暗能量狀態方程、在宇宙學尺度上檢驗廣義相對論, 從而打開新物理的窗口。
參考文獻
1 Planck C, Ade P A R, Aghanim N, et al. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Astron Astrophys, 2014, 571: A16–A81
2 Rubin V C, Ford Jr W K. Rotation of the andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophys J, 1970, 159: 379–403
3 Riess A G, Filippenko A V, Challis P, et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant. Astron J, 1998, 116: 1009–1038
4 Perlmutter S, Aldering G, Goldhaber G, et al. Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae. Astrophys J, 1999, 517: 565–586
本文摘選自高福主編《Science125 個前沿問題解讀》一書，標題為編輯所加。
Science125 個前沿問題解讀
高福 主編
ISBN 978-7-03-058528-8
北京：科學出版社，2019.05
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（本期編輯：王芳）
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