有人知道怎么修炼暗能量量这种无形能量源吗？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-02 19:14 标签： 怎么修炼暗能量

原标题：“暗能量”的新证据 —— 来自宇宙深处的“声音”

你离我越是遥远，我对你越是思念，天文学家对宇宙的感情正是如此。当仰望夜空，看到繁星点点，一个天文学家不仅能告诉你十二星座在哪里，还能为你找到一张笑脸（如图1左图所示星系团SDSS J中心的强引力透镜现象），或者想象着把星系连接起来画圈圈（如图1右图所示）。天文学家拍摄天体不是为了自娱自乐，而是为了理解宇宙的演化历史及其背后的物理规律。

图1.左图：星系团 SDSS J 中心的强引力透镜现象。图像版权：NASA/ESA。右图：不要当真，一副有物理内涵的艺术想象图，表示早期宇宙产生的重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations,

天文学家总是希望能在宇宙深处观测到尽可能多的天体（包括行星、恒星、星系、超新星、类星体和黑洞等），这不仅是为了研究这些天体本身的物理性质和演化规律，更重要的是我们可以根据这些天体的时空分布或某些内禀性质研究宇宙的演化规律。例如，由于某一类超新星爆发时的光度曲线几乎一致，根据这一类超新星的内禀光度，通过对比其观测亮度和绝对亮度，我们能够获得它们的距离，这使它们成为了测量宇宙学距离的“标准烛光”（烛光一词来自于其光度属性）。1998年，由 Riess 和 Schmidt ，以及 Perlmutter 领导的两个独立小组通过研究 Ia 型超新星的观测数据发现了宇宙加速膨胀的事实，这个发现为宇宙学的研究开启了一个新的篇章，但同时让物理学的天空中浮现出了一朵新的乌云——暗能量。

其实，在大部分的时间里宇宙并不是加速膨胀的，只是到了大约40亿年前（红移约0.4时）暗能量才开始主导宇宙，并使宇宙加速膨胀。也恰好在这一时期，银河系中诞生了我们人类赖以生存的太阳系。

宇宙中存在太多的巧合和未知，但又是可以理解的。我们不知道暗物质是什么，但我们知道它有引力作用；我们不知道暗能量是什么，但我们知道它具有反引力的性质，而且没有成团性；我们知道重子物质是什么，但它们只占总能量密度的不到5%。对暗物质和暗能量本质的理解关乎我们宇宙未来的命运，或膨胀，或收缩，或膨胀收缩循环往复。要了解宇宙的全部，就需要观测更深处的宇宙。微波背景辐射（Cosmic

那么到底什么是重子声波振荡（BAO）呢？它是早期宇宙中存在的一种类似于声学振荡的现象，它的特征尺度就像音乐中的基音所对应的特征波长。按照现在的宇宙学标准模型，我们知道早期的宇宙诞生（暴胀）得比较突然，宇宙看起来是均匀各向同性的，比较懵懂，但又蠢蠢欲动，微小的涨落无处不在。诞生约10秒后，宇宙中布满了由光子和重子形成的等离子浆。光子由于自由电子的存在而与重子（质子）耦合在一起。由于涨落，重子不仅受到涨落产生的引力势的影响，还受到光子产生的辐射压影响，引力和辐射压相互抗衡，从而形成了类似于声波振荡的纵波。在再复合（recombination）之前（温度大于3000K），光子和重子是一直耦合在一起的，这种状态持续了大约38万年。再复合时期，原子核俘获了电子，从而光子与重子退耦，自由光子经过了138亿年的宇宙膨胀历史形成了今天我们看到的宇宙微波背景辐射 CMB ，其包含了宇宙早期密度涨落的重要信息，保留了与重子耦合时期振荡过的遗迹，即在 CMB 中存在一个角度为0.6度的特征声学尺度，考虑 Planck 宇宙学参数，其在今天对应的尺度约147 Mpc （～4.8亿光年）。失去了光子辐射压的重子受到暗物质引力的吸引，开始了大尺度结构形成的漫长历史。但是，当给定一个星系，在一定距离上统计发现另一个星系的概率的时候（即测量星系间的两点相关函数），我们会发现在大约4.8亿光年的共动距离上也会有一个小的突起。这与 CMB 中观测到的尺度完全一致。也就是说我们可以以宇宙38万年时刻的 BAO 尺度作为标准，通过测量在不同红移（年龄）处的 BAO 尺度，就能够获知宇宙的膨胀历史（如图2所示）。

科学家在2005年首次利用宇宙中低红移的星系观测到了 BAO 信号（这一发现于2014年被授予邵逸夫奖）。然而，由于星系在宇宙深处（即高红移）的数密度很低，利用高红移星系观测 BAO 非常困难。幸运的是，宇宙深处存在着大量的类星体可供观测。

类星体是一类特殊的天体，它们看起来像恒星，但实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心存在一个超过千万倍太阳质量的超大质量黑洞，这些黑洞通过吸积周围丰富的物质产生了耀眼的光辉，使得它们几乎在整个宇宙空间中，都能被我们观测到。

图3显示了一个红移为1.07的类星体的测光图像和光谱信息，其中红移正是通过光谱信息获得。天体的红移信息对 BAO 测量至关重要。

近期， eBOSS 国际巡天合作组通过研究红移0.8到2.2之间宇宙深处类星体的成团性，发现了显著的 BAO 信号。这是人类首次利用高红移类星体的成团性研究地球形成之前60亿年到20亿年宇宙的膨胀历史，结合之前的低红移星系样本和类星体莱曼 alpha 森林数据测得的 BAO 信号，此次研究以极高的置信度（6.5 sigma） 证实了暗能量的存在。图4显示了相关结果，其中左图所示为两点相关函数随共动尺度的变化，在100 Mpc/h （约148 Mpc ，4.8亿光年）尺度附近发现了明显的 BAO 信号，右图显示了利用 BAO 信号限制宇宙学的结果。

这是人类成功探索深空宇宙的关键一步，为未来的大型宇宙探索计划奠定了坚实的基础。

图4. 左图显示了两点相关函数随共动尺度的变化，在100 Mpc/h 尺度附近发现了显著的 BAO 信号。右图所示为利用 BAO 信号独立限制宇宙学的结果，在 6.5 sigma 置信水平上证实了暗能量的存在。具体可参考：http://lanl.arxiv.org/abs/

作者系中科院国家天文台宇宙学与引力研究课题组研究人员

各位朋友大家好，欢迎收看收看由武仙座超星系团为您讲解的 现在国际天文学界公认的模型无时无刻不都扩张，恒星系之间互相远离，而星系团之间也在渐行渐远。在一百多年前哈勃证明宇宙天体红证明宇宙膨胀之后，这些知识现在已经广为人知，但是这些年来天文学家发现，宇宙膨胀的过程正在不断加速，星系相对彼此退行的速度也越来越快。显而易见，宇宙膨胀的加速一定有着特定的联系，但是究竟是什么产生宇宙加速膨胀，我们不得而知，可以肯定的是这种“东西”能够产生斥力，因为很明显它正在把宇宙向外推挤，于是人类给这个神秘的东西取了个名字，那就是“暗能量”。

人类通过20年的暗能量研究，可以说关于暗能量的物理本质，我们依然一无所知，而目前最新观测与目前所以的流行理论，又都难以吻合，这就让问题变的更加复杂。

现在科学家对暗能量的本质已经开始探寻，他们希望在10年内解决这个令人头疼的问题。

关于什么是暗能量，科学家提出了许多假设，现在科学界头号理论：认为加速宇宙膨胀的驱动力源自宇宙空间本身的属性，量子力学认为真空并非空无一物而是充斥大量虚的粒子和反粒子，他们同时产生又刹那之间相互湮灭。

尽管听上去有点扯，但这些仅能存在于一瞬间的粒子，携带着大量的能量，而能量和质量是一样能够产生引力，不过与质量不同的是，能量不仅能够产生引力，还能够产生斥力，这取决与压强是正还是负。按照现在的量子理论，真空中的能量应该有“负压强”因此有可能是它们产生了宇宙膨胀产生的斥力。

其实这个理论等价于爱因斯坦的宇宙学常数，爱因斯坦用宇宙学常数来表示宇宙空间本身具有的均匀能量密度，这个假说认为，暗能量密度也是一个常数，不会随着时间和空间而变化。

第二种理论认为：暗能量也许是一种被称之为精致的能量场，这种能量场弥漫在整个宇宙之中，占据了空间中的每一个点，可以抵消引力的吸引作用。我们对“场”应该并不陌生，无处不在的电磁力和引力都是通过“场”来发挥作用，假如暗能量是一个场，那么它不太可能是一个常数，而且也可能随着时间的变化而变化，如此一来，过去的暗能量就有可能比现在更强或者更弱，它的强度对以后宇宙的演化也可能会有影响。

而第三种理论比前两种相对来说要粗暴多了，他们认为根本就没有暗能量，宇宙的加速膨胀源自于广义相对论无法解释的物理现象，爱因斯坦理论可能是不完整的，很有可能在极大的程度下，比如星系或者星系团或者整个可观测宇宙的跨度下引力定律会偏移目前的理论预测，带来异常的引力效应，很多科学家对这个说法十分有兴趣，并且沿着这个方向开展了十分有趣的理论探索，但是目前还没有发现与所有观测都相吻合。 所以目前来看，暗能量存在的假设还是占据上风，我们可以看到上述对暗能量的解释，都不是十分让人满意，感觉都是扯扯淡，以宇宙学常数为例，它预言暗能量强度远超实际数值，假如我们简单的把所有真空中正反虚粒子相关的量子态的能量叠加，得到的数值比实际观测到的数值要大120个数量级，考虑到超对称理论引入的修正后差距得意缩小，但是理论值仍然比测量值高出几十个数量级，如果暗能量真的来自真空，那么问题就来了？

真空能这么会如此微小呢？而暗能量场在这个问题上表现的很好，理论研究者只需要假设与暗能量场相关的势能最低点非常小，就可以保证空间中只蕴藏少量的暗能量。不过这样的模型，同时也要求暗能量场与宇宙万物的相互作用极其微弱，这就难道把暗能量场假说，自然的整合进先有的粒子物理模型之中。

如果暗能量真的是真空能，那么宇宙膨胀加速将会一直持续下去，大约在一万亿年后，除了离银河系最近的那些星系以外，银河系到时候会合并成大型的椭圆星系，除此之外其他星系都会以光速远离我们，再也无法观测到，就算是来自宇宙大爆炸，宇宙微波背景辐射那时候的波长也会被拉长到整个可观测宇宙的尺度难以察觉。

如果暗能量不是真空能，而是某种“未知的场”所携带的能量，宇宙的结局也许会更加的开放，宇宙可能会最终停止膨胀反而开始收缩，最终在大挤压中，将宇宙中所有的物质挤压到一起，重演一遍宇宙大爆炸。

宇宙也可能进入大撕裂状态，大到星系团，小到原子核宇宙一切复杂结构屈服于强大的暗能量而被撕扯的四分五裂。

有人会问我们研究暗能量究竟能有什么用，其实客观的说并没有什么用，假设暗能量真的能为人类所用，可能要过个十几万年以后。就目前来说研究暗能量的性质将有助于了解宇宙的最终命运，虽然了解了也没有多大用处，但是人类对未知事物的好奇，永远都不会停止。

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宇宙中星系分布三维地图的一张切片，覆盖了天空的1/20，宽60亿光年，高45亿光年，厚5亿光年。图中的每一个小点，都代表着60亿年前一个星系的位置，不同的颜色代表它们在这张切片中是更靠近地球（黄色）还是更远离地球（紫色）。这张切片中包含48741个星系，只占天文学家绘制的最新宇宙星系分布图数据量的3%。从图中可以看到星系的成团分布，它们构成了超星系团，也留下了巨大的空洞。这些大尺度结构的根源都来自于宇宙大爆炸后最初的瞬间。图片来源：Daniel

来自斯隆数字巡天Ⅲ期（SDSS-III）的数百位科学家协手合作，绘制出了遥远星系有史以来最大的三维地图。接着，这些科学家又利用这幅地图，对目前正驱动宇宙加速膨胀的暗能量，进行了迄今最为精确的测量。

“我们花了10年时间，测量了遍布1/4天空的120万个星系的数据，绘制出了650个立方十亿光年内宇宙的物质结构。”领导这项研究的科学团队联席负责人、美国纽约大学的杰里米·廷克（Jeremy Tinker）说，“这幅地图让我们能够对暗能量在宇宙膨胀中所起的作用进行迄今最好的测量。”

Survey，简称BOSS）项目完成。由于受到暗物质施加的引力和暗能量产生的斥力之间持续拉锯的影响，BOSS发布的这幅地图让天文学家能够测量宇宙膨胀的速率，进而测定今天的宇宙中物质和暗能量所占的比例。描述这些结论的一系列论文，本周已经投稿给了《皇家天文学会月报》（the Monthly Notices of the Royal Astronomical

BOSS用来测量宇宙膨胀速率的方法是，在星系的三维分布地图中，测定重子声学振荡（baryon acoustic oscillation，BAO）的尺寸。重子声学振荡的原始尺寸由早期宇宙中传播的压力波决定，在宇宙年龄只有40万年时，这些波被冻结在宇宙的物质分布模式之中。（相比之下，今天的宇宙年龄为138亿年）。最终的结果就是，星系和星系的间隔倾向于一个特定的距离，天文学家称之为声学尺度。

大爆炸后40万年时的声学尺度大小，在对宇宙微波背景辐射的观测中已经得到了精巧的测定，那些背景辐射正是压力波被冻结的同时释放出来的光。测量自那时以来宇宙中的星系分布，让天文学家能够测量暗物质和暗能量如何竞相掌控宇宙膨胀的速率。

德国马普学会地外物理研究所的阿列尔·桑切斯（Ariel Sanchez）领导的研究，在BOSS数据的基础上估算了暗物质和暗能量的确切数据。他解释说，“测量宇宙历史不同阶段的声学尺度，提供了一把直接可用的标尺，能够用来测量宇宙的膨胀速率。有了BOSS的这幅三维地图，我们能够在距今20亿年前到70亿年前的时间跨度之内，在星系的分布模式之中追寻重子声学振荡留下的微妙印记。”

英国圣安德鲁斯大学的丽塔·特里欧（Rita Tojeiro），是除廷克以外，BOSS星系成团研究组的另外一位联席负责人。她解释说，“如果把我们巡天观测的范围等比例缩小成一个边长1英里（约1.6千米）的立方体，那么单个星系可见的部分就只有大约1毫米宽。在分析这幅地图时我们面临的挑战，就相当于在这1立方英里的空间内，找出所有间隔100码（约91.4米）的星系对，并测量全部这些星系对之间的距离！”

左侧的长方形显示了1000平方度的天空中所含的大约12万个星系，接近巡天观测的星系总数的1/10。图中的第一个点都代表一个星系。对每个星系所作的光谱观测，将这张二维图片转换成了三维的星系分布图，从我们眼前一直延伸到70亿年之前。分布图中明亮的区域对应于宇宙中星系更多的区域，因此暗物质也较多。那些区域里的额外物质产生出额外的引力，使得这幅分布图可以用来检验爱因斯坦的引力理论。图片来源： Jeremy

为了如此精确地测量这些巨大而又古老的压力波的尺度， BOSS必须要绘制出一幅规模空前到前所未有的星系分布地图，比此前的巡天绘制过的星系图大好几倍。在BOSS项目规划期间，先前的研究就已经测定，暗能量从大约50亿年前开始，便对宇宙膨胀产生了显著影响。于是，BOSS项目便设定了这样的目标，要把测量重子声学振荡特征的时间范围，从那一个时间点之前（距今70亿年前）延伸到今天附近（距今20亿年前）。

英国朴茨茅斯大学的弗洛里安·博伊特勒（Florian Beutler），是本周投稿的一系列研究论文中两篇论文的第一作者。他说，“如果暗能量在那段时间内一直在驱动着宇宙膨胀，我们的地图告诉我们，它随时间变化的速度非常缓慢，如果它有变化的话——在过去70亿年内，它最多只变化了20%。”

美国布鲁克海文国家实验室的何塞·巴斯克斯（Jose Vazquez），将BOSS的结果与其他巡天结合在一起，从中搜寻任何可能暗示存在未解物理现象的证据。他说，“我们的最终结论符合简洁的宇宙学图像，进一步加强了过去18年来逐渐建立起来的标准宇宙学模型。”

特里欧小结道，“大爆炸后40万年的宇宙微波背景辐射，以及70到120亿年之后星系的成团分布，重子声波都在其中留下了印迹，而我们在两者之间看到了一种戏剧性的关联。有能力把得到很好理论描述的一种物理效应，从宇宙复合时期一直观测到今天，这对宇宙学来说堪称一大福利。”

这幅地图还揭示出了独特的迹象，表明由于万有引力的作用，星系存在一种整体运动，朝着宇宙中物质更多的区域。至关重要的是，观测到的这种“下落”，用广义相对论的预言就能够很好地加以解释。这一结果支持了如下观点：宇宙的加速膨胀由最大宇宙尺度上的一种现象（比如暗能量）驱动，而非我们的引力理论出了纰漏。

廷克总结说，“BOSS标志着宇宙学的一个重要的里程碑，超大空间范围内精确的成团性测量，结合对原初宇宙微波背景的全面观测，已经建立起一个坚实的平台，可以用来搜寻标准宇宙学模型的扩展证据。我们期待未来10年内的大型光谱巡天，能够进一步扩展这一项目。”（编辑：）

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