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暗能量决定宇宙的宿命

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:10

    暗能量决定宇宙的宿命

    来自遥远星系的光被前景物质拉伸,图像来自哈勃空间望远镜。类似的扭曲——称作弱引力透镜效应——不甚明显,但它广泛存在,可以帮助揭示暗能量的性质。图片提供:NASA

    目前宇宙的组成成分中,约有70%是暗能量,因此宇宙的最终宿命掌握在暗能量手中。几幅可能的宇宙图景可能就取决于暗能量的性质,其中之一就是宇宙将终结于所谓的“大撕裂”(big rip)。最近,来自中国科技大学、中科院理论物理研究所、东北大学和北京大学的五名研究人员仔细探究了这个有趣的话题。他们的研究成果,题为《暗能量与宇宙的宿命》的文章,发表在《中国科学:物理学力学天文学》2012年第55卷第7期上。

    几千年来,人类一直在思索两个终极命题:“我们从何而来?”“和“我们往何处去?”此间,这些问题激发了无数神学和哲学的辩论。现在,科学家已经取得了一些回答上述问题的重要线索,这要归功于过去三十年来,现代宇宙学的迅速发展。宇宙学已发展出标准“暴胀+热大爆炸”模型来解释宇宙的起源。然而,研究人员已经意识到,要预测宇宙的命运,暗能量的性质是其中的关键。

    关于暗能量是什么,学术界尚未达成共识,状态方程参数w(暗能量的压强和密度的比值)的唯象描述,提供了研究暗能量动力学的重要手段。暗能量的性质将决定宇宙的最终宿命。特别是,如果在未来一段时间内w<﹣1,暗能量的密度将在有限时间内增至无穷大,它的万有斥力将撕裂宇宙中的所有物体。“大撕裂”(或“宇宙末日”)的图景是这篇论文的焦点。该文作者称“我们希望从目前的数据中推断出,宇宙最糟糕的命运是什么。”

    为了实现上述目标,选择合适的参数化方法十分重要,它应该能够涵盖宇宙膨胀的整个历史。事实上,最流行的Chevallier-Polarski-Linder (CPL)参数化模型并不适合用于预测宇宙的未来演化,因为在这种形式下,当红移参数逼近﹣1时,w值将发散。因此,该文作者使用了一种非离散的参数化方法——马张(MZ)参数化法——来预测宇宙的演化。

    一个更有趣的问题是:“如果宇宙末日真的存在,那它离我们有多远?”通过马尔可夫链蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo method)控制马张(MZ)参数空间后,作者发现,根据目前的观测数据计算,tBR-t0=1035亿年为最佳结果,而tBR-t0=167亿年则是置信水平为95.4%时的下限。这里tBR表示“大撕裂”发生时的时间,t0表示当前时间。换言之,即使是最糟糕的情况(置信水平95.4%),在宇宙终结于“大撕裂”之前,我们还有167亿年。

    因此,受控参数空间表明,未来w<﹣1是很有可能的。如果是这样,也许有人会问另一个有趣的问题:“宇宙中受引力束缚的物体,如星系和恒星的命运会如何呢?”事实上,如果w真的变得小于﹣1,那么暗能量的万有斥力会不断增大,直到撕裂所有物体。没有物体能逃脱这一命运,但显然,结合更紧密的系统残存时间会更长。作者使用马张(MZ)参数来推测宇宙末日前的一系列重大事件。例如,在最糟糕的情况下,即置信水平为95.4%时,银河系将在大裂口前3290万年被撕裂。末日前两个月,地球被扯离太阳,末日前5天,月球被扯离地球,时间终结前28分钟,太阳毁灭,终结前16分钟,地球爆炸。

    然而,从我们已知的暗能量动力学性质判断,有一件事非常清楚,那就是,我们的未来还很长。

    (环球科学 邱晓琰)

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