3.暗能量的本质决定着宇宙的命运

 

 

爱因斯坦广义相对论预言的时空弯曲示意图。 图片来源:NASA

科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀

 

 

由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天(SDSS)。其第三期的重子声波振荡光谱巡天(BOSS)通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平,并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀

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重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹,在宇宙爆炸后约38万年,声波振荡信息被“冻结”。如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

 

 

实际上,这并不是科学家第一次感到引力理论有修正的必要。20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿引力论(即绝对时空观)既不适用于接近光速运动的物体,也不能准确描述强引力场中的物体。因此,他大胆地使用相对时空观取代了绝对时空观,建立了狭义和广义相对论,为百年来的物理和天文学研究奠定了基石。爱因斯坦场方程的右边是表征物质的分布和运动的物理量,称为能量-动量张量,而方程左边则是时空曲率。此方程清楚表明,广义相对论认为物质的分布和运动决定了时空曲率,而时空曲率又反过来影响物质的运动和分布。如前文所述,由物质主导的宇宙无法使时空加速膨胀,因而引入具有负压的暗能量。这实际上是修正爱因斯坦方程右侧。而另一种解决方案则是直接修正时空曲率项,即修正爱因斯坦方程左侧,这就是修正引力论。

 

“工欲善其事,必先利其器。”对于暗能量的研究来说,开展大规模的巡天实验是重中之重。未来5到10年内,我国和国际上将运行一批(国际上称为第四代)大型地面和空间暗能量项目,包括我国的空间站巡天,天籁计划,国际上的DESI,Euclid等项目,揭示宇宙加速膨胀背后的新物理。