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寻找暗能量(三):宇宙学的终结


“更为重要的是,尽管我们有幸生活在这样一个宇宙时期,能够观测到支持大爆炸的许多证据,我们也应该认识到,宇宙还存在着其它今天已经无法观测的基本属性。我们已经丢失了什么信息?这个问题没人能够回答。与其自满,宁可谦逊。或许有一天,人们会发现,我们目前对宇宙看似严谨而全面的认识,其实是完全不合格的。”



冯珑珑 中山大学天文与空间科学研究院教授

5滚动的暗能量


为了避免宇宙学常数带来的严重理论疑难,第二种选择则是构造一个动力学标量场,暗能量由这个标量场的能量所主导。

通常,我们用状态方程参数来表征暗能量的特性,它定义为暗能量压强

和能量密度
之比,即


对宇宙学常数刻画的暗能量模型,我们有

。对于动力学暗能量模型,理论上必须具备以下特性:一是可以提供驱动加速膨胀的负压,再就是它可以避免上一节提到的巧合性问题。此外,这类模型的能量密度在空间几乎是处处均匀的,但一般都随时间变化,进而导致各不相同的宇宙膨胀历史。

对形形色色的暗能量模型,物理学家习惯用状态方程参数


对其进行分类。根据这个分类,有代表性的模型有:被称为第五元素的精质模型(
),令人胆寒的幽灵模型(
),以及诡异善变的精灵模型(
可以穿越
)。



图7 流行暗能量模型的基本工作方式,随着暗能量场慢滚的进行,摩擦阻力不断增加,势能的释放最终转化为新粒子的生成,而暗能量的变化直接影响宇宙的膨胀行为


精质模型的工作方式和宇宙极早期驱动暴涨的过程非常类似。我们可以设想一个势阱中滚动的小球。初始它位于势阱的高处,随着宇宙膨胀,逐渐向能量最低处,即势阱的底部下滑。如果我们可以很好地设计势阱的形状,使得小球缓慢地滚动,这时小球的能量由势能所主导,充当负压的角色。这时的宇宙处于加速膨胀状态。随着长时间的慢滚,最终小球的势能通过转化成一种新型粒子而全部释放,由此宇宙重新进入物质主导时期,并再次回到减速膨胀。

尽管离真相可能还很远,精质模型描绘的未来远景却令人愉悦。设想宇宙是一个有灵魂的生命,当步入暮年,让快节奏的生活减速,重新步入一个慢的宇宙生活,何尝不是个诱人的选择。


图8 宇宙标度因子随宇宙学时间的演化,它给出了大爆炸产生之后的宇宙演化历史,并预言了不同模型中宇宙的最终命运


不过,如果我们不幸生活在一个幽灵暗能量统治的世界里,末日预言听起来则会令人不安。无疑,这是一个充满想象力的模型。它引入一个负的动能项,也就是粒子物理中定义的所谓“鬼场”。这个模型预言的状态方程参数总是满足

,它导致的动力学行为是极端疯狂的。在充满幽灵暗能量的宇宙里,真空能量密度会随着宇宙的膨胀不断增加,宇宙的膨胀也被不断疯狂地加速。最后的结局是令人胆寒:时空的极度拉伸导致宇宙中的星系团、星系、恒星、行星,甚至所有的原子都被撕裂,这就是宇宙的终结——大撕裂。

精灵模型则圆滑得多,它调和了精质和幽灵模型的特性,所预言的暗能量状态方程参数可以在

之间平稳穿越,从而使宇宙在加速和减速膨胀中反复转换,避免了“大坍缩”和“大撕裂”的极端命运。


6追踪暗能量


当理论物理学家扩展对加速膨胀宇宙的想象空间时,天文学家也启动了各种大型暗能量探测计划,期待从宇宙中追寻到暗能量的踪影。和暗物质不同,暗能量在空间几乎是均匀分布的,没有直接的方法可以探测到它的存在。在传统宇宙学的框架内,暗能量影响宇宙演化的方式主要有两种,一是影响宇宙的整体膨胀,再就是通过改变膨胀背景,影响大尺度的物质扰动增长。这两种方式可以引导我们去探寻暗能量的基本属性。

2005年,美国能源部、宇航局及国家基金委共同组建了暗能量特别工作组,其目标是发展一套评测系统对所有暗能量探测手段进行综合评估,并在此基础上制定一个暗能量探测的发展路线图。在众多宇宙学探针中,工作组遴选出四大主要探针:Ia型超新星、重子声波振荡、弱引力透镜和星系团计数。之后,红移畸变效应由于其卓越探测能力也进入核心名单。目前,这五大探针中,除Ia型超新星外,其它四种方法都是宇宙大尺度结构理论的具体应用,是今后十至二十年第四代暗能量观测计划的核心探测手段,它有望在百分之一精度上对宇宙学模型、暗能量状态方程给出限制,并在同样精度上检验广义相对论。

关于Ia型超新星和重子声波振荡,前面已有介绍,它是观测宇宙学中标准烛光和标准尺的最引人注目的进展。其它三种方法均和宇宙大尺度结构的增长有关。

星系团计数是最低阶的统计方法,简单地说,就是数数。根据大尺度结构的演化模型,在给定红移,给定质量范围的星系团的数目依赖于结构的物质扰动的增长因子,而后者和宇宙的膨胀速度有关,进而取决于暗能量成分。因此,通过星系团巡天观测,如果可以积累足够多的样本,原则上我们对暗能量的状态方程给出限制。

红移畸变效应是研究宇宙大尺度成团结构的重要方法。我们知道,对于一个均匀各向同性的宇宙,所有的星系都随宇宙作均匀膨胀,即我们常说的哈勃流。但在真实宇宙中,由于物质扰动的存在,星系的分布呈现非均匀的大尺度成团结构,并因此产生附加的引力势扰动。这样,星系会在局部引力场作用下产生所谓的本动速度,其径向分量会叠加到大尺度哈勃流上,使测量到的红移有所偏差。如果我们采用哈勃定律作为星系距离的示踪器,那么由此给出的星系的空间成团图样和真实情形就存在一定的偏差。特别地,在观测径向和横向方向,星系的成团性就有所差异,这就是红移畸变效应。显然,这种差异和大尺度物质场的扰动增长有关,它为确定暗能量提供了另一种思路。


图9 以宇宙大尺度结构为研究对象的暗能量探针,按观测模式分为光谱巡天(星系团计数,红移畸变和重子声波振荡),以及图像巡天(弱引力透镜)。


引力透镜效应是广义相对论的重要预言。在一个物质聚集区域,时空将产生弯曲。当远处发出的光穿过这个区域向我们行进时,时空的弯曲会导致光线的轨迹发生偏折,这就是爱因斯坦给出的光线引力偏折效应。光线偏折可以产生三种现象:一是多重像;再就是光线聚焦导致的光强增加;最后就是形变效应,即对有一定形状的光源,经过偏折后的像会发生形状的改变。由这三种现象衍生出来的观测手段分别对应于强引力透镜、微引力透镜和弱引力透镜效应。在观测宇宙学上,弱引力透镜特指宇宙大尺度结构对遥远星系产生的形状改变。和红移畸变效应类似,它由大尺度的物质密度扰动所决定。结合断层扫描技术,弱引力透镜不仅可以确定宇宙的扰动增长,探讨暗能量的作用,同时可以得到暗物质的大尺度分布。正因为如此,随着观测精度的迅速提高,系统误差修正的不断更新,弱引力透镜效应将成为暗物质和暗能量研究中最为强大的探测手段。


7宇宙学的终结


不知为何,这真相每一次都过于炫目,以致她的记忆无法承载,它总是燃烧起来,将自己的寓意无可换回地烧毁,只留下一篇曝光过度的空白。

——— 托马斯 品钦 [拍卖第四十九批]


“我们究竟是谁,从何处来,往何处去?”,这是一个困扰人类久远,几乎贯穿整个人类文明史的问题。在社会学、人类学、生物学等领域,它归于不同的知识范畴、也有不同的答案。在现代宇宙学框架下,它更是超越了生物种群的认同和归属的文化理念,将这种认知拓展到我们赖以生存的整个宇宙。

宇宙加速膨胀的发现,使爱因斯坦引入的宇宙学常数得以复活。事实上,在应对现有的天文学观测检验上,基于宇宙学常数的谐和模型仍然表现出最优的行为。然而,“巧合性问题”的提出让我们陷入历史哥白尼主义的困境。如果我们在宇宙中的位置是处处平权的,人类出现在宇宙一个特殊时期的论断同样让我们难以接受。

一个严肃的科学问题是,在一个宇宙学常数主导的加速膨胀宇宙中,对于未来的观测者而言,未来的宇宙将以什么样的面目出现,智慧生命的最终命运是什么?

在已有的知识框架内,宇宙学家描绘了这样的场景:

在巨大引力作用下,我们所在的银河系将和仙女座星系以及许多绕其旋转的矮星系不断接近,继而相互碰撞产生并合,形成一个巨大的超星系。而其它遥远的星系将随着宇宙的膨胀加速退行。千亿年之后,所有的星系将消失在宇宙的边缘,即物理上所说的事件视界以外。那时,所有明亮的恒星已耗尽所有的燃料而熄灭,夜空中只留下为数众多的较小恒星闪烁着暗淡的光芒。对于超星系中的智慧生命而言,即使采用最强大的望远镜,所能看到的也仅仅是漫天的点点星星—— 一个永恒、宁静而又孤独的巨大恒星系统。对那时的天文学家来说,赫歇耳的“宇宙岛”或许是最形象的描述。



图10 十九世纪的宇宙观——赫歇耳的宇宙岛:巨大恒星系统在茫茫宇宙中聚集形成的孤立岛屿


这幅宇宙图景将导致一个不幸的结论,如果今天所看到的宇宙加速膨胀是真实的,千亿年后的文明将不可能发现宇宙大爆炸的真相,而作为最早人类文明种子的天文学将失去今天的辉煌。


重温宇宙学的历史,原因不难推断。天文学是建立于观测的科学,天文学的进步直接取决于可以获得的观测事实。但对未来的文明来说,夜空中只有微暗的恒星,远处的星系已退行到视界之外,哈勃的发现彻底流产,我们无法重建宇宙膨胀的图象;宇宙微波背景辐射的辐射强度已被宇宙膨胀稀释到目前的万亿分之一,而红移后的波长也已长到被星际中的电离气体反射或吸收,我们已无法聆听到宇宙早期余晖的嘶嘶作响。作为大爆炸模型重要检验的轻元素丰度将被恒星的数代生死轮回所污染,从而无法给出早期核合成的任何线索。

事实上,千亿年以后的宇宙观又回到孤独的“宇宙岛”,即使居住类太阳系的居民可以出现哥白尼,但是没有足够的理由提出宇宙学原理;他们可以通过引力的精确测量发现广义相对论,但他们中间却产生不了哈勃。因此,在对宇宙的认知出现缺陷的未来,重建大爆炸宇宙学的理论几乎是一件不可想象的事情。

未来天文学家对星空的观测,同样不能建立完整的恒星演化理论,不能解释“宇宙岛”的结构形成,更无法破解宇宙中物质的起源。不过有趣的是,仅仅依据引力理论,未来的天文学家做出的末日预言将一语成谶。他们眼中的世界——“宇宙岛”,也就是我们今天所说的超星系,将在一声巨响中轰然坍塌,形成一个超巨型黑洞。然而,他们至死都不知道远处的宇宙并没有消亡,而是在一个神秘力量的驱动下加速膨胀。听起来这是个令人伤感悲情故事的结局。

回到今天,我们自然要问,为什么现在的宇宙如此特殊?哥白尼革命导致人类从宇宙中心的撤离,但却换来一个宇宙特殊时间的窗口。如果引入人择原理,智慧生命的出现或许本质上就是一种选择效应,我们无法摆脱超越时空的人类的优越感。


故事的最后,让我们引用物理学家家克拉斯和谢勒的一段话作为结束:

“更为重要的是,尽管我们有幸生活在这样一个宇宙时期,能够观测到支持大爆炸的许多证据,我们也应该认识到,宇宙还存在着其它今天已经无法观测的基本属性。我们已经丢失了什么信息?这个问题没人能够回答。与其自满,宁可谦逊。或许有一天,人们会发现,我们目前对宇宙看似严谨而全面的认识,其实是完全不合格的。”


系列文章:

寻找暗能量(一)

寻找暗能量(二):扑朔迷离

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