三大新实验探究暗能量
2014-07-18 23:12:25   来源:化石网   评论:0 点击:

原标题:三大新实验欲揭暗能量神秘面纱①暗能量调查项目的最终目标是追踪10万个星系团的大小和形状随时间如何发生变化,从而为科学家们提供重力和暗能量之间如何角力的详情。②SuMIRe项目通过对红移进行调查和分

原标题:三大新实验欲揭暗能量神秘“面纱”

 

①“暗能量调查”项目的最终目标是追踪10万个星系团的大小和形状随时间如何发生变化,从而为科学家们提供重力和暗能量之间如何角力的详情。

 

②SuMIRe项目通过对红移进行调查和分析,能够看到远至130亿光年的宇宙。

 

③ACTPol主要研究宇宙微波背景发出的微波。据理论推算,虽然宇宙“大爆炸”约40万年后宇宙中的光与物质开始出现分离,但其偏振依然在微波背景辐射中得到保存。这一偏振是古老的光线与宇宙最初诞生的物质最后接触的“印记”,探测它可以为研究宇宙早期状况提供重要“指南”。

新视野

    据英国《经济学人》杂志网站近日报道,现在,有三大或已开始或即将进行的新实验都试图揭开蒙在暗能量身上的神秘“面纱”,不过,也有科学家反其道而行,认为暗能量并不存在。孰是孰非,唯有靠数据来说话。

探究宇宙的起源有助于认识暗能量

    早在上世纪20年代,宇宙学家们就认识到,宇宙正在远离我们。而且,星系距离我们越远,其退行速度也越快。从逻辑上来说,这暗示着,万事万物都曾身处同一个地方。这一发现催生了我们现在熟知的宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论也成为现代宇宙学的起源。

    然而,1998年,新一代的宇宙学家们发现,宇宙不仅在膨胀,而且其膨胀的速度也越来越快。是什么造成这种宇宙加速膨胀呢?没有人知道,为了便于理解,科学家们将这一“幕后黑手”称作“暗能量”。尽管直到现在,我们仍然不知道暗能量究竟有何属性,但我们对其影响却已略知一二,因此,我们可以计算出其数量。

    据科学家们测算,暗能量占据了宇宙总质量的三分之二,由于E=mc2,所以,其也占宇宙总能量的三分之二。因此,如果人们不能理解暗能量,就无法真正理解我们身处的宇宙。

    这也是宇宙学家们希望能够更快更好地认识暗能量的原因。现在,有三大已经进行或即将进行的新实验(其中两个实验在智利进行,一个实验在美国夏威夷进行),将有助于我们揭开蒙在暗能量头上的神秘“面纱”。这些实验无一例外地都将回溯到宇宙形成之初,并且会以前所未有的精度测量星系以及星系团之间的关系。这些实验成功完成后,尽管我们仍然无法全面了解暗能量的“性格”,但至少我们会知道得更多一点。

    这三大实验的理论基础都是暗能量确实存在。但也有少数宇宙学家并不认同这一点。当然,他们并不否认导致其他人假定暗能量存在的观察,而是否认暗能量存在这一结论。对他们来说,这些新实验或许也为他们提供了证实暗能量是否真正存在的机会。

“三驾马车”朝暗能量进发

    新实验中最先进的设备是重达5吨、分辨率高达570兆(百万)像素的暗能量照相机,其去年被科学家们安放在位于智利托洛洛山的美国洲际天文台。托洛洛山海拔2200米,是一座既与纵贯南美大陆的安第斯山脉相连又孤零零的山峰,山区一年四季天气晴朗,很少有云雾,每年约有300天可以观察天体,是世界上少有的观察天体的好地方。据信,这一照相机已经准备好开始工作,每晚可为天空拍摄400张10亿字节的图像,5年时间总共将拍摄525个晚上。

    这一照相马拉松活动是“暗能量调查(DES)”项目的一部分,这一项目由美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼领导。弗里曼计划对天空八分之一的范围进行扫描,对10万个星系团进行调查,测量这些星系团内的3亿个星系与地球的距离。

    DES项目的最终目标是追踪星系团的大小和形状随时间如何发生变化,从而为科学家们提供重力和暗能量之间如何角力的详情。重力会让宇宙的膨胀减速,导致星系团变得更加紧密;而暗能量则会让宇宙的膨胀加速,导致星系团分崩离析。因此,星系团收缩或膨胀的速度就彰显了重力和暗能量之间的相对强度。

    弗里曼和同事无法跟踪给定星系团内发生的变化,因为他们看到的仅仅是历史某一瞬间发生的情况,但是,通过查看不同时期多个星系团之间的差异就可以让他们获得更多信息。

    以前的观察已经表明,在宇宙长达137亿年的生命中,有一大半时间里,重力占据了主动,但在大约60亿年前,暗能量开始掌权。DES项目尤其希望能对这一过渡时期进行研究,他们的想法是通过研究大约100亿光年远的星系团这一简单的办法来获得100亿年前宇宙的情况。

    第二个新实验是由日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所的理论物理学家村山齐(音译)领导的“图像和红移的斯巴鲁测量(SuMIRe)”,这一项目在美国夏威夷进行。它将于明年开始收集数据,其数据收集方式与DES类似,但其方法更好。

    尽管这一项目只对宇宙十分之一而非八分之一的范围进行扫描,但其能看得更远:远至130亿光年而非100亿光年。另外,与DES项目相比,SuMIRe项目的装备也更精良,尤其是其拥有一个能对红移进行调查和分析的积分光谱仪。

    红移是宇宙学家们获得信息最重要的渠道之一,红移会告诉科学家们星系与我们的距离。红移由多普勒效应造成,由于多普勒效应,从离开我们而去的恒星发出的光线光谱会向红光光谱方向移动。美国天文学家埃德温·哈勃于1929年确认,遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去,同时,它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加。这一普遍规律称为哈勃定律,它成为星系退行速度及其和地球的距离之间的相关基础。这就是说,一个天体发射的光所显示的红移越大,该天体的距离越远,它的退行速度也越大。DES项目缺乏光谱仪,因此,其必须依靠其他望远镜来测量红移。拥有积分光谱仪是SuMIRe项目的一个巨大优势。

    第三个实验是位于智利阿塔卡玛天文望远镜偏振灵敏接收器(ACTPol),这一实验由美国普林斯顿大学的莱曼·佩吉所领导,这一实验与上述两个实验都不相同。它主要研究宇宙微波背景(CMB)发出的微波,而非从星系那儿传来的光。

    科学家们认为,在诞生早期,宇宙温度极高,随后开始冷却,在宇宙大爆炸后38万年,形成被称为微波背景辐射的“余烬”,因此,其保存了早期宇宙“模样”的印记。

    当代宇宙学理论同时还有一项重要预言,即微波背景辐射具有偏振性。在“大爆炸”之初,宇宙中尚未形成物质,质子、中子和光子相互碰撞,使宇宙之光产生偏振。光本身可以看作是由一些微小的波构成,这些波通常可以在任何一个平面上振动,均匀分布于各个方向。但是,光在受到折射或散射后有时会产生偏振,使光波的振动方向集中到特定平面上。

    据理论推算,在宇宙“大爆炸”之后约40万年,带电粒子开始形成最初的物质,宇宙中的光与物质出现分离,但其偏振却依然在微波背景辐射中得到保存。这一偏振是古老的光线与宇宙最初诞生的物质最后接触的“印记”,因此,探测它可以为研究宇宙早期状况提供重要“指南”。

    ACTPol项目也将在智利的托洛洛山山顶进行,实验已于今年7月19日开始,目的是查找宇宙微波辐射的偏振。

    如果这三大实验能够成功,而且研究结论能相互印证的话,那么,这预示着我们朝着理解宇宙如何从一个比电子还小的物体扩展为现在我们所看到的一个无限大的物体更近了一步。理论学家们可以将新数据纳入其暗能量模型中,看看会出现什么结果。其他人也能使用这些数据,或许会得出不同的结论。

疯狂的理论

    尽管大部分宇宙学家们竞相努力,希望能早日揭示宇宙不断膨胀的神秘性,但也有理论学家在试图证明这种解释是错误的。最近的一项研究来自于德国海德堡大学的理论物理学家克里斯托弗·维特里克,他不仅不相信暗能量,也根本不相信宇宙在膨胀。

    按照现代宇宙学的观念,这无异于“异端学说”,但是,维特里克在arXiv上撰文指出,他已经构建出了一种完全不同的宇宙学框架,在这套框架内,宇宙并非在膨胀,而且,万事万物的质量一直在增加。

    维特里克认为,其他科学家认为导致宇宙膨胀的红移是宇宙的质量不断增加的结果。如果原子过去更轻,那么,它们释放出的光会遵循量子力学法则,因此,其能量要比它们现在释放出的光低。因为能量越低,光的波长越长,这就导致宇宙学家们将现在看到的现象看作是红移。

    这一点听起来有点像天方夜谭。质量恒定这一观念已经写入了高中物理学的教科书,推翻这一点会颠覆整个现代物理学。

    维特里克是一名受人尊敬的物理学家,显而易见,其数学方法没有出错。另外,他的模型也确实考虑到了宇宙短暂的快速膨胀期,也就是我们现在所说的暴胀期。维特里克认为,暴胀并不是发生在宇宙诞生伊始(目前的主流观点都这样认为),因为他认为宇宙并没有一个起点,相反,曾经存在过的一个小的静止宇宙变成了一个会永远存在下去的大的静止宇宙,而且,这一宇宙会变得越来越重。因此,宇宙没有所谓的“奇点”。而现代宇宙学理论都认为,宇宙存在着一个密度无限大的“奇点”。

    维特里克的模型有可能是错误的。正如加拿大圆周理论物理研究院的克里夫·伯吉斯所说的那样:“暗能量这件事很容易演化成这样一种情况:就像一群人中的每个人都坚称自己是拿破仑,而认为其他所有人都是疯子。”但是理论学家们并不会同数据作对,而且当新实验结束,他们会获得更多数据,因此,可以揭晓谁才是真正的拿破仑。或许我们可以用量子理论的创建者尼尔斯·波尔的话来结尾,波尔曾经对一名同事、美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利说:“我们都认为你的理论很疯狂,但是,我们之间的区别是这一理论是否疯狂到有可能是正确的。”

 

来源:中国科技网 (记者 刘霞 综合外电)

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