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暗物质和能量

暗物质和能量

黑能量:范式如何移位

02 Jun 2010

我们宇宙在1998年出版的Supernovae发表的两个范式转换研究揭示了我们宇宙的主导。 露西卡尔德达哈卡 解释事实上,这一概念在酝酿中至少有十年 - 并推测我们理解的下一次飞跃可能撒谎

布兰科4米望远镜在智利 下一步 智利的Blanco 4米望远镜正在升级为进行五年的黑暗能量调查,2011年将开始绘制约3亿星系。它是一些旨在了解更多关于黑暗能量的新项目之一。 (礼貌:T Abbott / Noao / Aura / NSF)" />
下一步 智利的Blanco 4米望远镜正在升级为进行五年的黑暗能量调查,2011年将开始绘制约3亿星系。它是一些旨在了解更多关于黑暗能量的新项目之一。 (礼貌:T Abbott / Noao / Aura / NSF)

可以说,今天的人类面临最大的谜团是75%的宇宙的前景由已知的物质组成“dark energy”,我们几乎没有知识。由于另外21%的宇宙是不可见的“dark matter”只能通过其引力效应来检测,普通的物质和能量构成地球,行星和星星显然只有一个存在的部分。这些发现需要在哥白尼之后的象征中转变’地球围绕太阳的启示启示。在25年前,大多数科学家认为宇宙可以描述Albert Einstein和Willem de Sitter’从1932年的简单而优雅的模型,其中重力逐渐减慢了空间的扩张。但是,从20世纪80年代中期起,一系列似乎没有符合标准理论的一系列观察,导致有些人建议从爱因斯坦的旧和独立的术语’族的相对论理论 - “宇宙常数” or “lambda”(λ) - 应该被带回到解释数据。

这一常数最初是由爱因斯坦于1917年引入的,以抵消吸引力的引力,因为他认为宇宙是静态和永恒的。他认为它是空间本身的财产,但它也可以被解释为一种统一填补所有空间的能量形式;如果λ大于零,则均匀的能量具有负压并产生奇异,排斥的重力。然而,爱因斯坦在埃德文霍布尔和米尔顿·伍德森发现宇宙正在扩大之后,终于在1931年陷入了偏离。 (有趣的是,Isaac Newton认为是一种线性力量,表现得像λ,写在他的 王子岛 of 1687 that it “解释了两个主要吸引力案件”.)

λ从时刻重新安装,似乎在每当需要解释的问题时被带回宇宙学 - 只有在更多数据可用时被丢弃。对于许多科学家来说,λ只是多余的和不自然的。尽管如此,在1968年Yakov Zel’莫斯科国立大学的Dovich说服了物理群体,λ和λ之间存在联系“energy density”空间,它由虚拟颗粒出现,闪烁在真空中闪烁和摆脱存在。问题是,对真空能量的各种无关贡献意味着λ,如果存在,则比建议的观察结果大大增加120个数量级。它被认为必须有一些取消λ的机制恰好到零。

In 1998, after years of dedicated observations and months of uncertainty, two rival groups of supernova hunters – the High-Z Supernovae Search Team led by Brian Schmidt and the Supernova Cosmology Project (SCP) led by Saul Perlmutter – revealed the astonishing discovery that the expansion of the universe is accelerating. A 宇宙常数 with a value different to that originally proposed by Einstein for a static universe – rebranded the following year as “dark energy” - 提出来解释推动扩张的东西,而几乎隔夜的科学界接受了一个新的宇宙模型。毫无疑问,超新星观察对于改变人来说至关重要 ’S的观点,但在几十年之前迅速接受黑暗能量的关键。

通货膨胀和寒冷的暗物质

我们的故事始于1980年,当时加利福尼亚州斯坦福线性加速器中心的博物馆的艾伦Guth建议对宇宙标准大爆炸理论的一些问题提出了一个大胆的解决方案。他发现了一种将导致宇宙扩大更多的机制,在约10的时间间隔–35 就在大爆炸之后,它比在估计的137亿年完成后。这个含义“inflation” were significant.

Figure 1

爱因斯坦’S的一般相对论理论,这是迄今为止的每一个测试,告诉我们,空间的曲率由该空间的每个体积中的物质和能量的数量决定 - 仅用于特定的物质/能量密度是几何欧几里德或“flat”(图1)。在通胀宇宙学中,太空被拉伸,即即使观察到的宇宙的几何形状开始于平坦,它将被驱动为平坦度 - 就像气球表面上的小贴片一样,随着气球被吹的气球看起来越来越平坦向上。到了1980年中期,修改版的Guth’S型号被物理界压倒性地接受。

问题是,虽然通货膨胀建议宇宙应该是平坦的,所以处于临界密度,实际密度 - 通过在大区域中的恒星中铺设恒星并从它们的亮度估算它们的群体来计算 - 仅为1%平坦度所需的值。换句话说,观察到的常规质量密度,“baryonic”材料(即质子和中子)出现太低。此外,宇宙中的焦化物质的量受核酸化学理论的限制,这描述了在早期宇宙中形成的轻质元素(氢气,氦气,氘和锂)。该理论只能匹配轻质元素的丰度,如果焦化物质的密度为临界密度的3-5%,则根据膨胀速率,实际值。

为了弥补缺口,宇宙学家得出结论,宇宙中必须有很多额外的额外无形的非重构材料。自1932年以来,这种暗物质的证据已经积累了,当时Jan oort意识到银河系中的星星在引力拉动只来自可见物质的情况下,银河系中的星星在银河内移动太快。 (大约在同一时间,Fritz Zwicky还发现了在星系的集群中异国情调的隐藏物质的证据。)不可避免地,暗物质的想法是对未来50年的自然的争议和纠纷。特别是,暗物质粒子移动的速度有多种程度的分歧以及如何影响大规模结构的形成,例如星系和星系簇。

然后,在1984年3月,乔治(George Blumenthal)的一篇论文,桑德拉·布布拉,乔尔·菲拉克和马丁·雷斯(Martin Rees)深信许多科学家,如果暗物颗粒具有可忽略的速度,那么宇宙中结构的形成很可能是最有可能的,即它们是“cold” (自然 311 517)。他们发现一个宇宙与辐射物质的冷暗物质(CDM)约为10倍,正确地预测了许多观察到的星系和星系簇的性质。这个唯一的问题“CDM model”是证据指出,总物质密度低 - 几乎没有临界密度的20%。然而,由于通货膨胀的限制,大多数科学家都希望“missing mass density”当暗物质的测量改善时会发现。

标准理论存在问题

At this point the standard cosmological model was a flat universe with a critical density made up of a small amount of baryonic matter and a majority of CDM. Apart from the fact that most of the matter was thought to be peculiar, this was still the Einstein–De Sitter model, and the theoretical prejudice for it was strong. Unfortunately for the inflation plus CDM model, it came with one very odd prediction: it said that the universe is no more than 10 billion years old, whereas, at the time, some stars were thought to be much older. For this reason, and because observations of the distribution of matter favoured a low mean mass density, the US cosmologists Michael Turner, Gary Steigman and Lawrence Krauss published a paper in June 1984 that investigated the possibility of a relic 宇宙常数 (物理。 rev. lett。 52 2090).

λ的存在会导致少量的引力排斥,以防止有吸引力的重力,这意味着宇宙的膨胀会迅速减少。这意味着宇宙比当时的人们更老,所以可以容纳最古老的明星。虽然特纳,Steigman和Krauss意识到λ可以解决一些问题,但他们是 - 考虑到常数’方格过去 - 在任何明智的理论中仍然在威胁。实际上,三重奏需要更多地关注扁平宇宙所需的额外质量密度,其通过最近(以宇宙学术语)从早期宇宙中幸存的巨大颗粒的衰减产生的相对论粒子提供了相对论的颗粒。

One of the other people to tentatively advocate the return of the 宇宙常数 was James Peebles from Princeton University, who at the time was studying how tiny fluctuations in the density of matter would grow, due to gravitational attraction, then ultimately collapse to form galaxies. Writing in a September 1984 paper in 天体物理学杂志 (284 439), he likewise deduced that the data pointed to an average mass density in the universe of about 20% of the critical value – but he went further and said it might be reasonable to invoke a non-zero 宇宙常数 in order to meet the new constraints from inflation. Although Peebles was fairly cautious about the idea, this paper helped bring Λ out of obscurity and began to pave the way to the acceptance of dark energy.

Map of the cosmic microwave background

认为暗能的道路现在很清楚会很诱人。然而,天文学家意识到宇宙的平均质量密度仍然可以高达临界密度,如果在巨大的空间中隐藏在大型空间或空隙之间,间隙之间的巨大暗物质。实际上,当Marc Davis,George Efstathiou,Carlos Frenkk和Simon White(inck Kaiser之后的工作)ran计算机模拟由CDM主导的宇宙的演变,他们发现了暗物质和发光物质的分布方式,具有更多CDM空隙。如果仅形成总体平均密度高的星系,简单的爱因斯坦-Deatter平面宇宙仍然可以同意观察结果,我们根本不需要调用黑暗能量的想法。

但对于那些反对黑能的想法的人来说,问题是空隙中没有大量缺失的迹象。事实上,当Lev Kofman和Alexei Starobinskii计算宇宙微波背景(CMB)辐射的微小温度变化的大小时,使用不同宇宙的不同型号,他们发现将λ添加到CDM模型预测的波动,这将提供更好的解释观察到的星系集群分布。即使λ未被列入理论中,20世纪80年代后期的观察表明,在极大的尺度上的宇宙结构可能更容易被低密度宇宙解释,这显然是与通胀不相容。

然而,许多人继续相信引入另一个参数的想法,例如λ,违背了偶变的原则’S Razor,鉴于数据仍然如此不太确定。物理学家深入了解标准模型并不是那么多,更像爱因斯坦,他们不想不必要地复杂化理论。实际上,当时,几乎任何似乎都似乎是λ的添加。作为George Blumenthal,Avishai Dekel和Primack于1988年评论,引入λ需要“看似难以置信的致力于理论的参数” (astrophys。 j。 326 539).

They instead proposed that a low-density, negatively curved universe with zero 宇宙常数 could explain the observed properties of galaxies, even up to large scales, if CDM and baryons contributed comparably to the mass density. This model, they admitted, conflicted with nucleosynthesis bounds, with inflation’宇宙的预测是宇宙平坦,并且具有CMB中波动大小的小的观测限制,但他们认为存在潜在的解决方案。它似乎更为令人愉悦的λ只是零。

令人惊讶的结果

1990年的安静突破。史蒂夫马德森,塞尔德兰,乔治·埃菲斯塔斯·乔治·埃菲斯特和乔恩···························································佩斯周一不是。 R. Astron。 SOC。 242 43)。使用最近在剑桥大学和他的小组的剑桥大学开发的自动板测量(APM)机器扫描板的高质量玻璃副本。这种显着的调查 - 20多年来的最大值 - 覆盖了南部天空的4300多平方度,包括约200万个星系,并及时深入陷入困境。

令人惊讶的是,APM Galaxy调查结果并不符合标准CDM加通胀模型。在大于约3°的角度尺度上,该调查提供了强有力的证据,以存在于标准模型根本不预测的银河系聚类。 1990年EFStathiou,Sutherland和Maddox写了一封直接的信 自然 (348 705), in which they argued that CDM and baryons accounted for only 20% of the critical density. The remaining 80%, they inferred, was provided by a positive 宇宙常数, and this soon became known as the ΛCDM model.

The case for a low-density, CDM model came from the APM galaxy survey and a redshift survey of over 2000 galaxies detected by the infrared astronomical satellite (IRAS). The case for a positive 宇宙常数 now had several arguments in its favour: inflation, which required a flat universe; the small size of the temperature fluctuations in the CMB; and the age problem. “A positive 宇宙常数”,写Efstathiou,Suthand和Maddox,“可以解决标准CDM模型的许多问题,应该认真对待。”这是最强大的上诉,以支持爱因斯坦’sλ回到宇宙学。宇宙的低质量密度的APM结果被2DF Galaxy Redshift调查和Sloan Digital Sky调查确认。

Return of the 宇宙常数

Soon, others also began looking seriously at the case for ΛCDM. For example, in 1991 one of the present authors (OL), with Per Lilje, Primack and Rees, studied the implications of the 宇宙常数 on the growth of structure, and concluded it agreed with data available at the time (周一不是。 R. Astron。 SOC。 251 128)。但研究人员仍然不愿意完全接受λ。 1992年,肖恩卡罗尔,威廉·克罗尔和Edwin特纳强调了考虑λ作为真空能量密度的问题 - 巧合问题(图2)以及量子力学预测比观察许可更高的价值(安。阿斯顿。 astrophys。 30 499)。他们指出,扁平宇宙加λ模型有效地包含非重子系CDM,这意味着宇宙的两种高度投机组分。

Figure 2

1993年出现了一篇文章 自然 (366 429)关于星系集群的Baryon含量,由Simon White,Julio Navarro,8月Evrard和Carlos Frenk写的。他们研究了昏迷的星系集群,远离银河系约100万兆头,含有1000多个星系。假设从卫星证据中,典型的所有群体富含星系的群体,其群众有三个主要成分:发光恒星;热,X射线发射气体;和暗物质。白色和同事意识到,这种聚类中的缩放到总质量的比例将相当代表整个宇宙中的比例。从核酸化学模型中堵塞在核心组合模型中的粘附量将衡量宇宙’s mean mass density.

After taking an inventory, using the latest data and computer simulations, the group concluded that the baryonic matter was a larger fraction of the total mass of the galaxy cluster than was predicted by a combination of the nucleosynthesis constraint and the standard CDM inflationary model. Baryons could have been produced in the cluster during its formation (by cooling, for example) but the number created would not have been enough to explain the discrepancy. The most plausible explanations were either that the usual interpretation of element abundances (nucleosynthesis theory) was incorrect, or that the mean matter density fell well short of the critical density. Once again, the standard CDM model, with the mass density equal to the critical density, was inadequate. The way to satisfy the constraint from inflation that the universe is flat would be to add a 宇宙常数.

幸运的是,对于理论家来说,天文学家通过开发新的设备和技术,不断完善和改善他们的观察。特别地,CMB的微小变化 - 由NASA测量’S Cosmic Background Explorer(Cobe)卫星和后来通过Wilkinson微波各向异性探针(WMAP)卫星 - 显着地显示了质量密度远远缩短了临界密度,但却有利于具有整体平坦几何形状的宇宙。除CDM以外的东西必须提供达到临界值所需的质量/能量。

虽然CDM模型仍有许多提出的变化,但是λcdm是唯一一个适合所有数据的模型。它似乎占关键密度和λ的30-40%,作为真空能量,占60-70%。耶利米亚鸵鸟和保罗·斯坦德(Paul Steinhardt)简洁地在1995年以有影响力的信中的观察制约 自然 (377 600)。案件强烈休息,对霍布尔常数和宇宙年龄的测量,1997年的Hipparcos卫星的结果最终将最古老的星星的年龄估计增长到10-13亿年。

大多数物理学家仍然不愿意考虑λ应该被带回宇宙学的想法,但现在阶段被设置为巨大的意见转变(见 “Dark energy” by Robert P Crease)。有些人建议缺少组件的其他可能性,名称“dark energy”1999年由Michael Turner引入,包括所有想法。当高Z和SCP团队的超新星数据表示宇宙的扩张加速时,由于在20世纪80年代和20世纪90年代争论其返回的人,暗能的快速拥抱是很大的。

走向新的范式班次?

如果近期历史可以教我们任何东西,那么当它在脸上盯着我们时,就不会忽视证据。虽然添加了两种糟糕的术语 - 黑暗能量和暗物质 - 到爱因斯坦’S理论可能会破坏其内在的优雅和美丽,简单既没有自然的法则。然而,尽管在过去十年中,暗能量的情况已经加强,但许多人对目前的宇宙模式感到不满。它可能与所有当前数据一致,但在基本物理学方面没有令人满意的解释。结果,已经提出了许多替代暗能的替代方案,并且在未来十年的对宇宙的理解中,这看起来很可能会有另一个动荡(见“未来范式转移?” below).

Figure 3

宇宙学的整个焦点大大改变,现在正在计划或正在进行的许多天文观测主要旨在发现更多关于宇宙加速的潜在原因的更多信息。例如,基于地面的黑暗能量调查(DES),欧洲航天局’S拟议的欧几里德空间使命和美国宇航局’S计划空间的联合暗能任务(JDEM)将使用四种互补技术 - 银河系集群,Baryon声学振荡,弱引力透镜和1A型超新星 - 测量宇宙的几何形状和密度扰动的生长(图3) 。该DES将在智利中使用4米望远镜,并将一台对南部天空进行深度的新相机,将映射超过5000平方度(第八天空)的300万条星系的分销到射频。五年的调查涉及来自美国,英国,巴西和西班牙的100多名科学家,并于2011年开始。

黑暗能量的谜团与物理和天文学中的许多其他谜题紧密相连,几乎任何结果都会有趣。如果数据显示不再需要暗能,这将是一个重大突破。另一方面,如果数据指向黑能量的新解释,或者对重力的修改,它将是Revolu_tionary。最重要的是,天体物理学将继续关注多样化的问题,以便个人有机会做创造性的研究并建议新的想法。我们理解的下一个范式转变可能不会来自我们预期的方向。

未来范式转移?

宇宙学家仍然没有真正的想法是什么黑暗的能量,甚至可能甚至没有构成大部分宇宙的答案。以下是我们可能要抗争的一些潜在范式转变。

  • 违反哥白尼原则 目前我们认为银河系不会占据宇宙内的任何特殊位置。但是,如果我们碰巧在一个大的弱者中间生活,那么它可以解释为什么1A型超新星(我们最强烈的宇宙加速度的证据)看起来很暗,即使没有形成黑能的形式。然而,要求我们的银河系占据特权地位,以违背最基本的宇宙潜在的假设。
  • 真空能量以外的东西是黑暗的吗? 尽管真空能量在数学上等同于λ,但是基本理论预测的值是比观察的数量级可以允许,并且没有接受这个问题的解决方案。已经提出了许多有趣的想法,包括时变的黑能量,但即使它们也没有解决“coincidence”当前时代为什么如此特别的问题。
  • 对我们对重力的理解进行修改 可能是我们必须超越一般相对性,以更完整的重心理论。令人兴奋的新发展“brane”理论表明额外空间尺寸的影响,但暗能和宇宙加速的谜团可能不会被解决,直到重力成功地结合到量子场理论中。
  • 多层 Λ can have a dramatic effect on the formation of structure in the universe. If Λ is too large and positive, it would have prevented gravity from forming large galaxies and life as we know it would never have emerged. Steven Weinberg and others used this anthropic reasoning to explain the problems with the 宇宙常数 and predicted a value for Λ that is remarkably close to what was finally observed. However, this use of probability theory predicted an infinite number of universes in which Λ takes on all possible values. Many scientists mistrust anthropic ideas because they do not make falsifiable predictions and seem to imply some sort of life principle or intention co-existing with the laws of physics. Nevertheless, string theory predicts a vast number of vacua with different possible values of physical parameters, and to some extent this legitimates anthropic reasoning as a new basis for physical theories.

一目了然:范式转向黑暗能量

  • 黑暗能量是一种神秘的物质,被认为是当前宇宙的75%。建议于1998年解释为什么宇宙的扩张正在加速,暗能量具有负压并导致排斥力
  • Data suggest that dark energy is consistent (within errors) with the special case of the 宇宙常数 (Λ) that Einstein introduced in 1917 (albeit for a different reason) and then abandoned. Λ can be interpreted as the vacuum energy predicted by quantum mechanics, but its value is vastly smaller than anticipated
  • 在20世纪,Λ被重新介绍了多次解释各种观察,但许多物理学家认为这是一个笨拙和 特设 除了一般相对性
  • 十年前的黑暗能量的快速接受主要是由于20世纪80年代和20世纪90年代初期的研究人员的工作得出结论,尽管对它的偏见,但λ是必要的来解释他们的数据
  • 我们仍然对黑暗能量和暗物质没有任何根本解释。下一个范式转变可能同样令人惊讶,我们必须用开放的思想做好准备

更多关于:范式转向黑暗能量

L Calder和O Lahav 2008黑暗能量:回到牛顿? astron。地球症。 49 1.13–1.18
B Carr和G Ellis 2008 Universe或Multierse? astron。地球症。 49 2.29–2.33
e v linder和s perlmutter 2007黑暗能量:十年前方 物理世界 December pp24–30
P J E Peebles and B Ratra 2003 The 宇宙常数 and dark energy arxiv:Astro-ph / 0207347v2

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