宇宙能量最多的是什么?宇宙能量的68%是暗能量

在20世纪末,宇宙面临着两种命运:它蕴含着的所有物质可能产生足够强的重力使其再次坍缩,或者至少宇宙膨胀速度将减缓。不过从哈勃望远镜所探测到远方星系中的Ia型超新星来看,这些猜想都是不成立的;宇宙不但没有塌缩,反而在加速膨胀。宇宙学家自此借助了暗能量的概念来解释宇宙加速膨胀的现象,但是暗能量的特性仍是现代宇宙学中的一大谜题。

宇宙能量最多的是什么?宇宙能量的68%是暗能量

目前我们可以确定的就是:宇宙中存有大量的暗能量。科学家们从宇宙微波背景的测量中发现,暗能量占据了宇宙能量密度的68%。

宇宙能量最多的是什么?宇宙能量的68%是暗能量

今期与早期的宇宙质能分布饼图,这是根据五年的WMAP总数据估算的

不论暗能量是什么,一定是它渗入太空中产生的负压强导致了宇宙膨胀。一种被称为为宇宙常数(用Λ表示)的拟定形式表明,暗能量的恒定能量密度是均匀地分布在整个宇宙中。此模型的命名借鉴了爱因斯坦最初涵括在他广义相对论方程中的一个项式。它本应抵消重力并达到静态,而不是使宇宙膨胀。它被后人称为爱因斯坦“最大的错误”,因为这个项式本身并不能代表实际模型,不过也许宇宙常数仅仅代表太空能量,也就是量子理论中预测到所谓的真空能量。当宇宙的膨胀产生了更多空间时,更多暗能量也就应运而生了 。

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估计宇宙中物质和能量的分布

另外还有一个核心模型就是第五元素(精质),它是古代哲学中能够渗透大自然并构成天球的元素,也是最终极的元素。理论上来讲,第五元素是一种新型的能量场或太空流体,也可以解释为第五基本力。和宇宙常数不同 (正如其名所示,数值为恒定量),第五元素是动态的,随着时间而产生变化。它甚至可以在吸引力与排斥力间相互转换。第五元素和其它暗能量的动态模型虽都是很奇妙的设想,而且目前的观测尚无法证明暗能量会根据时间发生变化,恒定状态方程式为w=-1,但是这些测量仍存有很大误差。

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以上这张图展示了自宇宙大爆炸以来膨胀速率的变化。曲线弧度越小,膨胀速率就越高。75亿年前,这条曲线发生了明显的变化,当时的天文学家们认为是一种神秘的暗力使得物质以更快的速度飞离。

宇宙学家们也考虑过对我们现有的重力理论进行修改,但是新理论不仅需要对加速膨胀做出解释,还要为其它重力间的相互作用提供能与爱因斯坦的广义相对论的精确度相媲美的解释。

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暗能量存在的具体观测证据

1998年,高红移超新星搜索队观测组发表了Ia型超新星的观测数据,显示宇宙在加速膨胀。随之,1999年,超新星宇宙学计划证实了该结果。该项工作于2011年获得诺贝尔物理学奖。

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在星系附近出现的一颗Ia型超新星(左下角的亮点)

Ia型超新星可被视为测量大尺度长度的标准量天尺。这种超新星爆发时的绝对星等都一样,只要观测到他们的视星等,就可以测出它们到地球的距离。而红移量又能体现退行速度。因此可以将距地球不同距离的Ia型超新星的红移量与宇宙学方程的预言值进行比较。取定合适的参数,ΛCDM模型模型比较符合观测。

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