宇宙膨脹的速度比理論預測的要快——物理學家正在尋找新的想法來解釋這種不匹配

2025-11-27 22:19:23 分類：百科 閱讀(995)

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的遙遠星系。(圖片來源:uux.cn/美國國家航空航天局、膨脹配歐空局、速度比的快的想貴陽烏當區(qū)外圍車模服務崴信159+8298+6630提供外圍女小姐上門服務快速安排面到付款加空局和STScI)
（神秘的理論地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（瑞安·基利）：本文原載于對話會。該出版物向Space.com的物理“專家之聲:專欄和見解”投稿。
Ryan Keeley是正尋找新加州大學默塞德分校的物理學博士后學者。
天文學家?guī)资昵熬椭烙钪嬲谂蛎洝７ń猱斔麄冇猛h鏡觀察遙遠的釋種星系時，他們看到這些星系正在遠離地球。不匹
對天文學家來說，宇宙預測星系離我們越遠，膨脹配它發(fā)出的速度比的快的想貴陽烏當區(qū)外圍車模服務崴信159+8298+6630提供外圍女小姐上門服務快速安排面到付款光的波長就越長。星系離得越遠，理論它的物理光就越向光譜紅色一側的更長波長偏移——因此“紅移”越高。
因為光速是正尋找新有限的，很快，但不是無限快，看到遠處的東西意味著我們在看它過去的樣子。對于遙遠的高紅移星系，我們看到的是宇宙處于年輕狀態(tài)時的星系。所以“高紅移”對應宇宙早期，“低紅移”對應宇宙晚期。
但是隨著天文學家對這些距離的研究，他們發(fā)現(xiàn)宇宙不僅僅是在膨脹——它的膨脹速度正在加快。這個膨脹速度甚至比主流理論預測的還要快，讓像我這樣的宇宙學家感到困惑，并尋找新的解釋。
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暗能量和宇宙常數(shù)
科學家稱這種加速的來源為暗能量。我們不太確定是什么驅動了暗能量，或者它是如何工作的，但我們認為它的行為可以用宇宙常數(shù)來解釋，宇宙常數(shù)是時空的一個屬性，有助于宇宙的膨脹。
阿爾伯特·愛因斯坦最初提出了這個常數(shù)——他在他的廣義相對論中用λ標記它。有了宇宙常數(shù)，隨著宇宙膨脹，宇宙常數(shù)的能量密度保持不變。
想象一個裝滿粒子的盒子。如果盒子的體積增加，粒子的密度就會降低，因為它們會散開占據(jù)盒子的所有空間。現(xiàn)在想象同樣的盒子，但是隨著體積的增加，粒子的密度保持不變。
好像不太直觀吧？宇宙常數(shù)的能量密度不會隨著宇宙的膨脹而降低，這當然非常奇怪，但是這個性質有助于解釋加速膨脹的宇宙。
宇宙學的標準模型
現(xiàn)在，宇宙學的主導理論或標準模型被稱為“CDM”。Lambda表示描述暗能量的宇宙常數(shù)，CDM代表冷暗物質。這個模型描述了宇宙后期的加速以及早期的膨脹速率。
具體來說，Lambda CDM解釋了對宇宙微波背景的觀察，宇宙微波背景是宇宙在大爆炸后約30萬年處于“炎熱、致密狀態(tài)”時微波輻射的余輝。使用測量宇宙微波背景的普朗克衛(wèi)星進行的觀察，使科學家們創(chuàng)建了Lambda CDM模型。
將Lambda CDM模型擬合到宇宙微波背景中，物理學家可以預測哈勃常數(shù)的值，哈勃常數(shù)實際上不是一個常數(shù)，而是描述宇宙當前膨脹率的測量值。
但是Lambda CDM模型并不完美。科學家通過測量到星系的距離計算出的膨脹率，與Lambda CDM中描述的使用宇宙微波背景的觀測結果的膨脹率并不一致。天體物理學家稱這種分歧為哈勃張力。

宇宙膨脹的速度比流行的宇宙學模型預測的要快。(圖片鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局)
哈勃張力
在過去的幾年里，我一直在研究如何解釋這種哈勃張力。這種緊張可能表明Lambda CDM模型是不完整的，物理學家應該修改他們的模型，或者它可能表明研究人員是時候提出關于宇宙如何工作的新想法了。對于物理學家來說，新想法總是最令人興奮的事情。
解釋哈伯張力的一個方法是，在宇宙的晚期，藉由改變低紅移下的膨脹率，來修正蘭姆達CDM模型。像這樣修改模型可以幫助物理學家預測什么樣的物理現(xiàn)象可能導致哈勃張力。
例如，也許暗能量不是一個宇宙常數(shù)，而是引力以新的方式發(fā)揮作用的結果。如果是這樣的話，暗能量將隨著宇宙的膨脹而演化——而宇宙微波背景(它顯示了宇宙在誕生后幾年的樣子)將對哈勃常數(shù)有不同的預測。
但是，我的團隊的最新研究發(fā)現(xiàn)，物理學家不能僅僅通過改變宇宙后期的膨脹率來解釋哈勃張力——這一整類解決方案都存在不足。
為了研究什么類型的解決方案可以解釋哈勃張力，我們開發(fā)了統(tǒng)計工具，使我們能夠測試改變宇宙后期膨脹率的整個模型類別的可行性。這些統(tǒng)計工具非常靈活，我們用它們來匹配或模擬不同的模型，這些模型可能符合對宇宙膨脹率的觀察，并可能為哈勃張力提供一個解決方案。
我們測試的模型包括進化的暗能量模型，暗能量在宇宙的不同時間有不同的作用。我們還測試了相互作用的暗能量-暗物質模型，其中暗能量與暗物質相互作用，以及修改的重力模型，其中重力在宇宙中的不同時間有不同的作用。
但是這些都不能完全解釋哈勃的張力。這些結果表明，物理學家應該研究早期宇宙，以了解張力的來源。
這篇文章是在知識共享許可下轉載自《對話》。