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用人类自己做宇宙学实验:测量暗能量的机智办法

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:3

    用人类自己做宇宙学实验:测量暗能量的机智办法

    当一颗恒星坍缩成超新星时,它有时会发射出强烈且高度集中的伽马射线束。伽马射线暴通常只持续几秒钟,然而在此期间它们释放的能量竟像太阳一生产生的能量一样多,以致于伽马射线暴是整个宇宙所能观测到的最剧烈的爆发。它们是如此之强烈,哪怕是银河系最遥远的边缘发生了指向地球的伽马射线暴,都可以轻易地导致一次大灭绝,或许会摧毁地球上的所有生命。人们认为大概就是一次伽马射线暴导致了4.4亿年前的奥陶纪大灭绝,摧毁了当时85%的物种。

    显然,行星距离伽马射线暴越远,它就越有可能孕育高级生命形式。科学家们在一篇新的文章中指出,伽马射线暴对生命的风险,在一个所有天体(比如行星和伽马射线暴)间的距离都相对更远的宇宙中会低一些。而决定宇宙中物体间有多远——或者换句话说,物体是如何向外分散并相互远离的——的主要因素是暗能量或者宇宙学常数。

    宇宙学中有待解答的最重要问题之一,就是为何宇宙学常数是科学家们观测到的这个特定值?爱因斯坦最初设想宇宙学常数是一种“反引力”的力量,因此它的值越大,宇宙就膨胀得越快,天体距离彼此更远。而一个较小的值意味着宇宙本身较小,天体之间距离较小。

    目前,据估计宇宙学常数的值约为10^-123。研究者已经为宇宙学常数值找到了上限(宇宙学常数值不能超过10^-120,否则物质就会无法聚集在一起形成星系和其他结构)。然而到目前为止,尚无研究可以为宇宙学常数值找到一个下限。

    用人类自己做宇宙学实验:测量暗能量的机智办法

    安全区域的数量随着宇宙学常数的增加而增加(不同颜色的线代表不同的宇宙学常数)。两个图代表两种大小不同的安全区域,不过它们给出了类似的结果:比如,它们都表明70亿年前没有多少安全区域存在,这与地球年龄大约是45亿年相符合。

    当行星距离伽马射线暴很近时,高等生命存在的机会是极低的,利用这个规律,新研究首次为宇宙学常数设定了一个下限。科学家估计,当宇宙学常数值低于10^-124时,空间中的“安全区域”(在该区域中行星可以在相当长的一段时间内远离伽马射线暴)的数量大幅减少。换句话说,如果宇宙学常数比这个值还小的话,人类就几乎不可能存在了。

    论文的共同作者、耶路撒冷的希伯来大学的Tsvi Piran说:“我们找到了宇宙学常数值的一个下限,你知道它很小,只有10^-123。既然它这么小,为什么不是0呢?我们可以寻找一个让宇宙学常数不存在的基本物理定律。还有,宇宙学常数为什么不是一个负数呢?”

    通过证明宇宙学常数几乎不可能是0或者负数,并且更可能接近它的观测值,该研究也许有助于解释宇宙学常数为什么会是这个值。

    “这很重要,因为它为宇宙学常数的起源问题提供了线索,”Piran说,“一般都认为,宇宙学常数是由一些量子过程决定,而了解其取值范围对于找到有关它起源的线索是很重要的。”

    完整的分析过程更加复杂,因为研究者还要考虑其他因素,比如宇宙的年龄——为了让高级生命出现,它既不能太年轻也不能太老。宇宙不能太老,是因为行星需要围绕一个燃烧氢的恒星(比如太阳)旋转,恒星要足够年轻,不能已经到达了其生命的终点。然而宇宙也不能太年轻,因为星系(安全区就在其中)需要时间进行化学演化,以生产金属元素。高金属丰度可以降低在周围发生伽马射线暴的可能性,因为会发生伽马射线暴的恒星金属丰度相对较低。

    正如预料的那样,在研究者的模型中,地球看来占据了一个很合适的点:一个遭遇伽马射线暴的可能性最低的位置、一个有很多像太阳一样燃烧氢的恒星的时期以及较高的平均金属丰度。这种特殊的地点和时间条件或许可以帮助研究者寻找宇宙中其他可能有生命的地方。

    Piran说:“我们将会进一步完善这一限制,扩展到其他影响伽马射线暴概率的参数(不只限于宇宙学常数),并探讨它们对可以孕育生命的行星的可能位置有何影响。”(撰文:Lisa Zyga翻译:乔宇审校:韩晶晶)

    原文链接:https://phys.org/news/2016-03-death-gamma-ray-bound-cosmological-constant.html

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