宇宙为何正在被撕裂?自 1990 年代发现宇宙膨胀正在加速以来,这个问题一直困扰着天文学家。对遥远爆发恒星的新观测使情况变得更加复杂,这些观测使人们对被称为宇宙常数的领先解释产生怀疑。
无论是什么导致宇宙加速,它都被命名为暗能量,但其起源仍然神秘。早在阿尔伯特·爱因斯坦提出他的广义相对论时,他就给他的方程添加了一种排斥力,称为宇宙常数,当时,这旨在使该理论预测一个静态宇宙。如果没有它,他的计算表明引力不会导致一个稳态宇宙,而是会导致宇宙自身坍缩。当后来发现宇宙不是静态的,而是膨胀的时,爱因斯坦放弃了这个常数,据报道称之为他“最大的错误”。然而,几十年后,当揭示宇宙不仅在膨胀,而且它的膨胀正在加速时,科学家们重新找回了被丢弃的常数,并将其重新添加到广义相对论方程中,以预测一个正在以越来越快的速度飞散的宇宙。宇宙常数现在是解释暗能量的主要观点,但它只有在被称为暗能量状态方程参数(关联压力和密度)w 等于 –1 时才有效。
但这并不是最新的实验 Pan-STARRS(全景巡天望远镜和快速响应系统)发现的。基于来自其他项目的宇宙学测量以及 Pan-STARRS 对一种特殊类型的恒星爆炸(称为 Ia 型超新星)的观测,Ia 型超新星可以用作测量天文距离的宇宙标尺,研究人员计算出 w 的值为 −1.186。“如果 w 具有这个值,这意味着解释暗能量的最简单模型是不成立的,”空间望远镜科学研究所 (STScI) 的阿明·雷斯特说,他是 10 月 22 日发布到天体物理学预印本网站 arXiv 的一篇报告结果的论文的主要作者。雷斯特警告说,然而,目前的结果过于初步,还不足以认真怀疑宇宙常数。“我认为我们现在还不能说我们真的发现了差异。我们仍然需要看看这是否是由于这些项目中的任何一个存在一些问题。”
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该计算基于夏威夷 Pan-STARRS 望远镜 PS1 在 2009 年至 2011 年间对约 150 颗 Ia 型超新星的观测。这类超新星发生在一种称为白矮星的特定类型的恒星达到其最大质量极限时,所有白矮星的最大质量极限都相同,并以标准亮度爆炸。通过比较超新星的视亮度和其已知的固有亮度,天文学家可以推断出它的距离有多远。对超新星进行后续光谱观测,将光分解为构成它的颜色,揭示了光的波长被宇宙膨胀拉伸了多少。有了这些参数,Pan-STARRS 研究人员将他们的数据与来自其他暗能量探测器(例如欧洲普朗克卫星对宇宙微波背景光的观测)的发现结合起来,以计算暗能量状态方程参数。
对该计算的解读程度取决于它的不确定性有多大,以及与望远镜和分析相关的系统误差是否歪曲了结果。“人们普遍认为,望远镜校准、超新星物理学和星系属性是不确定性的主要来源,因此每个人都在尝试以不同的方式弄清楚这些,”约翰·霍普金斯大学的丹尼尔·斯科尔尼克说,他领导了一篇随附论文,估计了数据的不确定性。“我认为丹在描述他们的系统误差方面做得非常出色,”科罗拉多大学博尔德分校的亚历山大·康利说,他参与了一项名为超新星遗产巡天的不同超新星研究,该研究发现了类似的结果。“他们仍然需要做很多工作来改进未来论文的表征,但他们知道这一点并且正在努力。”然而,另一位巡天研究员,巴黎皮埃尔和玛丽·居里大学的朱利安·盖伊说,该团队可能低估了他们的系统误差,因为他们忽略了来自超新星光变曲线模型的额外不确定性来源。他一直与 Pan-STARRS 研究人员保持联系,他们正在研究该因素。最终,大多数专家表示,新结果令人兴奋,但并不能证明新物理学的存在。“Pan-STARRS 论文提出了非常全面、细致的分析和可靠的结果,但它并没有从根本上改变我们对宇宙学参数的看法,”伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的天体物理学家约书亚·弗里曼说,他没有参与这项研究。
然而,多个宇宙学实验正在产生与 –1 不同的 w 值这一事实,正在引起许多人的注意。“这篇论文现在是第三次对遥远超新星的巡天得出这个结论,”STScI 天文学家亚当·里斯说,他是 Pan-STARRS 团队的成员,并因发现暗能量而获得了 2011 年诺贝尔物理学奖。“我们不能仅仅说这个巡天或那个巡天搞砸了。这可能是这些测量中的一个基本问题。或者可能是暗能量以一种我们实际上希望的方式更有趣。”虽然宇宙常数在数学上解释了暗能量,但它并没有阐明为什么存在这种力。w 的替代值可能表明暗能量随时间不是恒定的,而是变化的——这种想法被称为 Quintessence(精质)。无论如何,预计来自 Pan-STARRS 和其他巡天的更多数据将在未来一两年内支持或反驳 w 的最新值。“我预计在未来一两年内,这可能会变得明确,或者消失,”里斯说。