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别急,天文学家并未否认暗能量的存在
更新日期:2016-12-16 21:42:30
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导语:你最近可能读了一些头条新闻,其声称暗能量并不存在,但当心被误导。
最新研究表明暗能量不存在?怎么可能!


关键词:暗能量;宇宙加速膨胀;Ia型超新星;宇宙微波背景辐射


Ia型超新星爆发(正是用来发现暗能量的爆炸恒星)的近景艺术想象图Credit: ESO


这周,大量的媒体曝出这样的头条“宇宙正在加速膨胀,是真的吗?”或“最新研究表明宇宙在膨胀,但并非之前诺贝尔奖级理论所认为的加速膨胀。”此番风波源自于Nielsen, Guffanti和Sarkar最近在《自然》旗下的《科学报告》上发表的一篇文章,题为“Ia型超新星为宇宙加速膨胀理论所提供的证据微不足道”。
然而,当读过那篇文章之后,你会我们发现并没有必要修正对宇宙的现有认识。该文章摒弃了大多数天文理论的基石——宇宙学观测数据,也仅仅是达到了略微减小我们认识的确定性的目的。而且该文章在考虑数据时也忽略了一些重要细节。即使抛开这些问题不谈,那些头条也是大错特错。该研究的结论是“我们现在仅有99.7%的把握认为宇宙在加速膨胀”,而不是“否认加速膨胀”。
1998年,两个天文学家团队利用Ia型超新星作为宇宙的量尺,首次发现了宇宙正在加速膨胀。超新星爆发(爆发星)是整个宇宙中最剧烈的爆炸之一,其释放的能量大致相当于10^27颗原子弹同时爆炸。和其他超新星不同,由于质量阈值的存在,Ia型超新星的爆发比较特殊,每次爆炸的亮度基本一致。这个特性意味着我们观测到的爆炸亮度差别只与观测距离有关,因此Ia型超新星是理想的宇宙尺。此外这种超新星在宇宙中很常见,其亮度足以让我们在距离数十亿光年处进行观测。这类超新星爆发还向我们展示了宇宙数十亿年前的景象,从而我们可以与宇宙如今的情况进行对比。


图解暗能量导致的宇宙加速膨胀 Credit: Design Alex Mittelmann, Coldcreation via Wikimedia Commons under Creative Commons license


这类超新星由于其爆发发光的一致性而被称为“标准烛光”,但更确切地讲应该是“可标准化烛光”,因为实际上,通过观测爆发的持续时间不同以及超新星颜色受到尘埃的红化情况差异,超新星亮度定标的精度和准确性的可以进一步提高。寻找一个稳定有效的方法进行这些修正,促进了宇宙加速膨胀的发现。
最近这篇引发头条的文章利用了由科学家们(包括我们)收集整理的一个Ia型超新星目录,这个目录之前已经被做过大量的分析。但该文献的作者们利用了一种不同的方法进行修正,我们认为他们结果的准确性因此大打折扣,因为他们假定每个用来测定爆发历史的样本中超新星的性质都相同,即使过去的研究表明它们并不相同,并给出了解释。然而,即使无视这些差异,该文献的作者们仍然发现宇宙有大约99.7%的概率在加速膨胀,这与那些头条新闻的说法截然不同。


宇宙微波背景辐射,宇宙大爆炸之后几十万年的辐射,为宇宙加速膨胀提供了一条独立的证据。Credit: NASA/WMAP Science Team via Wikimedia Commons


此外,天文学家们对于宇宙加速膨胀的确信不仅仅建立在超新星的观测上。还包括宇宙大爆炸后遗留热量的微小涨落(即宇宙微波背景辐射CMB)以及那些涨落现今在周围星系分布留下的印记(称为重子声学震荡BAO)。该研究还忽略了宇宙中大量物质的存在,自1970年以来这种物质已无数次以各种方式被证明,从而更加削弱了该研究的可信度。除了超新星,其他的数据也独立地证明宇宙加速膨胀。如果把超新星数据与其他观测结果相结合,我们认为宇宙加速膨胀的概率将从99.99%提高到99.99999%. 那是相当高的!
现在我们知道是暗能量驱动了宇宙的加速膨胀,它占宇宙成分的70%,其他部分则由物质组成。暗能量的本质仍然是天体物理中一个最大的谜题。但自从十年前这个理论图景确立后,关于暗能量是否存在以及宇宙是否加速膨胀的争辩就鲜有发生了。
现在有许多新的大型研究,包括地面上和空间上的项目,在今后的二十年内旨在弄清楚暗能量的本质。目前我们需要不断完善测量,置疑假设。尽管最近这篇文章并未能证明任何理论是错误的,但若能让每个人都暂停片刻,想想我们所探寻的问题有多么宏大、我们如何得到这个结论、我们需要多严谨地去检验每一块构建起知识大厦的砖块,那也是极好的。


图片展示了物质和暗能量在不同比例下宇宙状态的置信区间。紫色是单独的超新星数据,绿色是单独的CMB数据,黑色是BAO和CMB的联合数据。图中垂直于横坐标的线表示由大量宇宙学探测推算的宇宙中物质的最小总量。蓝色的线将加速膨胀宇宙模型和减速膨胀宇宙模型分隔开。另一条线表示由CMB数据估计的几何平坦宇宙模型。图片左下角的区域代表空的宇宙,几乎没有物质也没有暗能量,这个区域是Nielsen, Guffanti 和Sarkar最近那篇文章的焦点。单从超新星数据出发,宇宙极有可能是加速膨胀的。如果考虑到最小质量限制、CMB、BAO中的任意一点或者全部,这个结论会更有说服力。我们并未找到任何强有力的理由去忽略这些数据。


作者信息:Dan Scolnic 是哈勃和芝加哥大学卡弗里宇宙学物理研究(KICP)的教授,从事多个巡天工作,包括暗能量巡天,全景巡天望远镜和快速反应系统,宽场红外巡天望远镜,利用Ia型超新星测量暗能量。
Adam G. Riess 是约翰霍普金斯大学和空间望远镜科学研究所的天体物理学家。他关于遥远的超新星揭示宇宙加速膨胀的研究工作使他分享了2011年诺贝尔物理学奖。


(翻译:张雅鹏   审校:刘财兴)


原文链接【科学美国人博客】:
https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/have-astronomers-decided-dark-energy-doesn-t-exist/


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