暗能量宇宙与暗能量天体物理性质的研究

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　　【摘  要】本文对暗能量宇宙与暗能量天体的物理性质进行了一些研究。主要介绍了宇宙加速膨胀的观测和暗能量宇宙模型，以及暗能量产生的相对影响，并对相应的暗物质的一些探测。初步探究暗能量宇宙与黑洞的关系。
　　【关键词】宇宙加速膨胀;暗能量;宇宙模型;影响;暗物质;黑洞
　　一、宇宙加速膨胀的观测和暗能量宇宙模型
　　（一）暗能量的定义
　　理论物理学家研究宇宙依靠简单的模型，首先是宇宙的年龄，之后是原子的密度，物质的密度，初始波动的振幅。虽然这个模型很简单，但是却有些奇怪，其实这个模型暗示了我们银河系中的大部分物质都是以暗物质的形式存在的，这是一种在实验室中还没有检测到的新型粒子形式，宇宙中的大部分能量都是以暗能量的形式存在的，这是一种很神秘的能量。
　　（二）暗能量宇宙模型
　　对大规模分布的星系和类星体的观察数据表明，宇宙在其最大尺度上几乎是均匀的。广义相对论意味着从宇宙大爆炸开始，就一直处于膨胀中。因为宇宙膨胀，光出现了“红移”的现象，所以来自遥远星系的光到达我们的时候显得更红。哈勃的观测发现了星系红移和距离之间的线性关系，这在20世纪20年代建立了基本宇宙模型模型。
　　（三）宇宙加速膨胀的观测
　　目前最流行的宇宙学模型假设宇宙大爆炸后不久，宇宙经历了非常迅速的膨胀期。宇宙微波背景辐射是这种快速膨胀的残余热量。这种膨胀也将微小的量子涨落并放大，为我们展示出了一种密度意义上的变化。宇宙膨胀模型预测这些波动是恒久不变的，波动在所有尺度上的幅度几乎相同。
　　我们对微波背景的观测其实是宇宙大爆炸38万年后的事情。在这个时期，电子和质子结合形成氢。一旦宇宙变为中性，微波辐射背景光子就可以自由传播，因此声波就形成了特征尺度，这个特征尺度，即“重子声学尺度”，这是用来测量宇宙空间几何学的一把尺子，用这把尺子才能确定初期宇宙的密度和宇宙的形状。
　　从空间和地面，太空望远镜观测宇宙微波背景中的温度和极化波动，测试该标准宇宙学模型并确定其基本参数。值得注意的是，只有六个独立参数的模型，也就是上面说到的，即宇宙的年龄、原子的密度、物质的密度、密度波动的幅度、它们的尺度依赖性和第一颗恒星形成的时代，提供了详细的适合当前微波背景测量的统计特性模型。同样的模型也适用于星系大尺度分布的观测，哈勃常数的测量，宇宙的膨胀率，以及超新星的距离测定。重子可观测物质占我们宇宙不到5%;标准模型假定暗物质支配着星系的质量，而暗能量，即与空间相关的能量，则構成了宇宙的大部分能量密度。
　　暗能量占宇宙质量能量密度的68.3%，暗物质占26.8%，普通重子可观测物质占4.9%。还有其他可观测的次主导结构：三种不同类型的中微子至少占0.1%，宇宙背景辐射占0.01%，黑洞在宇宙中至少占比0.005%，它们可以被粗略划分到重子物质中。
　　天文观测和宇宙学理论表明，宇宙的组成极其复杂。然而，目前对宇宙组成的观测只有，暗能量、暗物质、原子、还有三种不同类型的中微子和光子，它们都对宇宙的能量密度有显著贡献。虽然黑洞不太可能是暗物质的候选者，但它们对宇宙质量密度的贡献大约是恒星密度的0.5%。
　　超新星的观测为宇宙的加速提供了关键证据。超新星是近均匀峰值亮度的一种直接观测结果。因此，它们可以作为一种信号，用来确定光到其主星系的传播距离。通过测定距离作为星系红移的函数，超新星观测测量宇宙的膨胀率就可以作为宇宙学家研究加速的数据了。在20世纪90年代末，观察超行星的科学家们报告了宇宙膨胀速度正在加速。
　　宇宙常数主导的宇宙是奇怪的生存之地。其实我认为重力是一种吸引力。如果你向上扔球，重力会减慢它从地球引力上升的速度。同样，引力（在没有宇宙常数的情况下）也会减慢宇宙的膨胀速度。
　　为什么宇宙在加速？最大的一种可能性是宇宙学常数（或等效的，空间的真空能量）驱动着宇宙加速度。另一种可能是有不断演化的标量场，它充满了空间（就像希格斯场或推动宇宙快速早期膨胀的膨胀场）。这两种可能性都集中在暗能量中。因为暗能量的所有证据都使用广义相对论方程来解释我们对宇宙膨胀和演化的观测，另结论是需要一种新的引力理论来解释这些观测的。可能性包括修正重力理论和额外维度。
　　二、暗能量的发现和影响
　　（一）暗能量的发现
　　暗物质的证据早于我们对微波背景、超新星观测和大尺度结构测量的观测。在1933年发表的一篇有论文中，Fritz Zwicky指出，星系团或者星系中存在大量的附加质量。在20世纪50年代，Kahn和Woltjer认为，只有当局部星系群包含大量的看不见的物质时，它才可能是稳定的。到20世纪70年代，天文学家认为星团和星系中的质量都随着半径的增加而增加。之后的论据表明，星系的稳定性需要暗物质和暗能量的支持。天文学家研究了星系外区域的气体运动，在数量不断增加的星系中发现了存在暗物质暗能量的证据。到20世纪80年代，暗物质已经成为宇宙学范式中公认的一部分。
　　微波背景和大尺度结构观测表明，暗物质的密度是普通原子的五倍。观测还表明暗物质与光子、电子和质子的相互作用非常弱，甚至压根不会相互作用。如果暗物质是由原子构成的，那么在早期宇宙中，它将由离子和电子组成，并在微波天空留下清晰的印记。因此，暗物质肯定是非重子的。
　　天文学家们利用哈勃太空望远镜上的大尺寸照相机绘制了星团暗物质分布的详细地图。这些观测揭示了星系团中大量的暗物质子结构，与数值模拟的预测基本一致。
　　（二）暗能量的影响
　　在小得多的尺度上，矮星系是暗物质理论的另重要的研究试验场。这些暗物质对矮星系的影响很小，因此矮星系的预测性质对暗物质性质非常敏感。宇宙学家认为矮星系的观测特性与数值模拟的预测不匹配。尽管一些天体物理学家认为，改进的模型形成的反馈模型可以调和这一差异，但其他人认为暗物质的自相互作用需要与观测的模拟相匹配。 　　早期的宇宙是非常强大的粒子加速器。在大爆炸早期的高温和密度下，宇宙背景辐射产生了大量的粒子。宇宙微波背景实验已经探测到了在宇宙早期第一时刻产生的大量中微子的观测信号。这个时期也可能创造出暗物质粒子。
　　超对称性是我们目前对粒子物理学理解的最广泛的延伸，它为暗物质提供了潜在的候选者。粒子可以分为两类：费米子和玻色子。费米子遵循不相容原理：在每种状态下只能找到粒子。在同一量子态中可以发现多个玻色子。电子是费米子，而光子是玻色子。超对称性将是自然界的一种新的对称性，它将每个玻色子与费米子搭档相连，反之亦然。
　　最轻的超对称粒子LSP是稳定的。这些粒子将在大爆炸后的瞬间大量产生。对于超对称模型中的某些参数，LSP的密度可以解释观测到的暗物质密度。弱相互作用的大质量粒子wimp，通过与质量相当的希格斯粒子交换粒子而相互作用的粒子，具有暗物质所需的性质。
　　三、暗能量中的暗物质种类探测
　　如果wimp是暗物质，那么就可以通过几种不同的路径被探测到，也就是说暗物质可以在加速器中产生。这个可能性让宇宙学家和其他领域科学家有了积极的寻找暗物质的计划。到時候的搜索一定会有许多激动人心的时刻。目前有许多有趣的信号可能是第一次探测到暗物质：
　　（一）Gran-Sasso暗物质DAM实验在其探测器中观察到事件率的年度调制，仅采用理论预测形式。对这一结果的解释是有争议的，因为其他实验未能探测到暗物质，并且似乎与这一探测声称相矛盾。
　　（二）有很多人声称来自银河系中心的过量伽马射线信号在一系列潜在的暗物质质量范围内。由于银河系中心的暗物质密度很高，它可能是暗物质自我湮灭产生的高能光子源。不过银河系中心也包含大量的天体物理源，它们发射高能光子。对外部星系的搜索也表明暗物质的存在，但质量却不同。这一主张也是有争议的。宇宙学家希望对附近矮星的观测能够提供不那么模棱两可的信号。
　　（三）我们星系中的暗物质湮灭可能产生正电子。宇宙射线的观测实验一直在寻找这些信号。这些实验面临的挑战是将这一信号与宇宙射线的天体物理源（如脉冲星）分离，并从二次碰撞中产生。
　　四、暗能量宇宙与黑洞的关系
　　至于黑洞，一般认为有几种形成机制：宇宙大爆炸时形成的太初黑洞，大恒星死亡形成的黑洞和星系中间的大黑洞。
　　美国科学家称黑洞其实是暗能量星，认为既然有暗能量，那么恒星塌缩时，可能有足够强的暗能量使得它不是黑洞而是形成暗能量星。它们的具体关系还需科学家们继续不断地去研究与探索。
　　未来的观测可以确定宇宙加速的来源和暗能量的性质。我们的观察可以测量两种不同的影响，距离和红移之间的关系和宇宙间不同结构的生长速度。如果广义相对论在宇宙学尺度上是有效的，那么这两个测量值应该是一致的。这些测量也将决定暗能量的基本性质。
　　虽然广义相对论现在已经有百年的历史了，但它仍然是宇宙学中强大而有争议的概念。这是我们当前宇宙学模型背后的基本假设：模型在匹配观测方面非常成功，但同时暗示了暗物质和暗能量的存在。这意味着我们对物理的理解是不完整的。我们可能需要像广义相对论那样深奥的新概念来解释这些奥秘，需要更强大的观察和实验来照亮通往我们新见解的道路，去发现和探索暗能量宇宙与暗能量天体物理性质的关系，促进科学的研究与进步。
　　注释
　　[1]重子声学尺度：微波辐射背景光子自由传播，因此声波就形成了特征尺度。
　　参考文献：
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　　[2]Riess A G，et al.Astron.J.2018，116：1009.
　　[3]Perlmutter S，et al.Astrophys.J.2018，517：565
　　[4]Weinberg S.Rev.Mod.Phys.2018，61：1
　　[5]Caldwell R R.Phys.Lett.B，2002，545：23
　　[6]Li M，et al.Phys..Lett.B，2007，651：357
　　[7]Feng B，et al.Phys.Rev.Lett.2006，96：221302
　　（作者单位：天津师范大学物理与材料科学学院）
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