一種看不見的存在——暗能量

未知的多於已知的。我們知道有多少暗能量,因為我們知道它是怎麼在影響宇宙的膨脹。除此之外,它完全是一個謎,但是卻是一個重要的謎。事實證明,大約68%的宇宙是暗能量,暗物質約佔27%,其餘的(地球上的一切,我們所有儀器觀察到的一切,所有的正常的物質)加起來不到宇宙的5%。想想看,它可能根本不應被稱為“正常”物質,因為它只是宇宙中的一小部分。

一種看不見的存在——暗能量


該圖顯示了自150億年前宇宙誕生以來的擴張速度的變化。曲線越淺,宇宙的擴張速度越快。大約75億年前,宇宙中的物質開始以更快的速度飛散,曲線明顯變化。天文學家認為,擴張速度變快是由於神祕的未知力量將星系拉開。

Credit: NASA/STSci/Ann Feild

對於暗能量的一種解釋是:暗能量是空間的一種屬性。愛因斯坦是第一個意識到空間並非空無一物的人。空間具有很多驚人的特性,其中許多剛剛開始被理解。愛因斯坦發現的宇宙的第一個特性是有可能存在更多的空間。然後,愛因斯坦的引力理論的一個說法,即包含宇宙常數的說法,進行了第二個預測:“空間”可以擁有自己的能量。


一種看不見的存在——暗能量


因為這種能量本身就是空間的屬性,所以它不會隨著空間的擴張而被稀釋。隨著更多的空間出現,更多的這種空間能量將會出現。結果是,這種形式的能量導致宇宙越來越快地擴張。不幸的是,沒人理解為什麼宇宙常數應該存在,更不用說為什麼它具有正確的值來引起觀測到的宇宙的加速度膨脹。


一種看不見的存在——暗能量


關於空間如何獲取能量的另一種解釋來自物質的量子理論。在這個理論中,“空白空間”實際上充滿了不斷形成然後消失的臨時(“虛擬”)粒子。但是,當物理學家試圖計算出這將給“空白空間”帶來多少能量時,答案出錯了-而且錯了很多。這個數字太大了10120倍。那是一個1,後面有120個零。很難得到一個如此糟糕的答案。所以這個謎團還沒有解開。


一種看不見的存在——暗能量


今期與早期的宇宙質能分佈餅圖

對於暗能量的另一種解釋是,暗能量是一種新的動態能量流體或場,它填補了所有空間,但是對宇宙膨脹的影響與物質和正常能量相反。在希臘哲學家的第五個元素,一些理論家將這個命名為“quintessence(精質)”。但是,即使精質是答案,我們仍然不知道它是什麼樣的,如何相互作用的,或者它為什麼存在。所以這個謎團仍在繼續。


一種看不見的存在——暗能量


該圖顯示了合併星系團Abell 520核心中暗物質,星系和熱氣的分佈。結果可能對暗物質的基本理論提出挑戰。

最後的一種可能性是愛因斯坦的引力理論不正確。這不僅會影響宇宙的膨脹,還會影響星系和星系團中正常物質的運動方式。這個事實將提供一種方法來決定暗能量問題的解決方案是否是新的引力理論:我們可以觀察星系是如何聚集在一起。


一種看不見的存在——暗能量


但是如果事實證明需要一種新的引力理論,它會是什麼樣的理論呢?它如何正確描述太陽系中物體的運動,正如從愛因斯坦的理論所知道的一樣,並且仍然給我們提供我們所需要的對宇宙不同的正確預測?有很多候選理論,但是沒有一個讓人信服。所以謎團還在繼續。

暗能量究竟是空間特性,新的動態流體還是新的引力理論?解決這個問題我們需要更多更好的數據。

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