超新星研究表明暗能量可能比我们想象的更复杂

超新星研究表明暗能量可能比我们想象的更复杂

时间戳记：12年2024月10日，凌晨00:XNUMX

宇宙是由什么构成的？这个问题数百年来一直困扰着天文学家。

在过去的四分之一个世纪里，科学家们一直相信构成你、我、地球以及我们能看到的几乎所有东西的原子和分子等“正常”物质只占宇宙的 5%。另外 25% 是“暗物质”，这是一种我们看不到的未知物质，但我们可以通过它如何通过重力影响正常物质来检测到它。

宇宙的其余 70% 由“暗能量”构成。这是一种未知形式的能量，于 1998 年被发现，据信正在使宇宙以不断加快的速度膨胀。

In 一项新的研究，即将发表在 天文学杂志，我和我的同事比以往任何时候都更详细地测量了暗能量的特性。我们的结果表明，它可能是爱因斯坦首次提出的假设真空能量，也可能是随着时间的推移而变化的更奇怪、更复杂的能量。

什么是暗能量？

当爱因斯坦在一个多世纪前发展广义相对论时，他意识到他的方程表明宇宙应该要么膨胀要么收缩。这对他来说似乎是错误的，因此他添加了一个“宇宙常数”——一种真空中固有的能量——来平衡引力并保持宇宙静止。

后来，当亨利埃塔·斯万·莱维特和埃德温·哈勃的工作表明宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦废除了宇宙常数，称其为他“最大的错误”。

然而，1998年，两个研究小组发现宇宙的膨胀实际上正在加速。这意味着与爱因斯坦的宇宙学常数非常相似的东西可能最终存在——我们现在称之为暗能量。

自从这些最初的测量以来，我们一直在使用超新星和其他探测器来测量 暗能量。到目前为止，这些结果表明宇宙中暗能量的密度似乎是恒定的。

这意味着，即使宇宙在增长，暗能量的强度也保持不变——它似乎并没有随着宇宙变大而散布得更薄。我们用一个叫做 w。效应集中的爱因斯坦宇宙学常数 w 到 –1，早期的观察表明这是正确的。

爆炸恒星作为宇宙量尺

我们如何测量宇宙中的物质以及它的增长速度？我们没有巨大的卷尺或巨大的秤，所以我们使用“标准蜡烛”：物体 空间 我们知道其亮度。

想象一下，现在是晚上，你站在一条长长的路上，有几根灯杆。这些电线杆都有相同的灯泡，但远处的电线杆比附近的电线杆更暗。

一颗小恒星正在从大得多的恒星中吸取物质。
在 Ia 型超新星中，白矮星在爆炸前缓慢地从邻近恒星中拉出质量。图片来源： NASA / 加州理工学院喷气推进实验室, CC BY

这是因为光的衰减与距离成正比。如果我们知道灯泡的功率并且可以测量灯泡的亮度，我们就可以计算到灯杆的距离。

对于天文学家来说，常见的宇宙灯泡是一种称为 Ia 型超新星的爆炸恒星。这些是白矮星，经常从邻近恒星吸收物质并不断生长，直到达到太阳质量的 1.44 倍，此时它们会爆炸。通过测量爆炸消失的速度，我们可以确定它有多亮，从而确定它离我们有多远。

暗能量调查

暗能量调查 这是迄今为止测量暗能量的最大努力。近十年来，来自多个大陆的 400 多名科学家一直在共同努力，反复观测南方天空的部分区域。

反复观察让我们寻找变化，比如新的爆炸恒星。你观察得越频繁，你就能更好地测量这些变化，而且你搜索的区域越大，你能找到的超新星就越多。

一张红灯亮起的天文台大楼的照片，背景是星空。
暗能量调查使用的托洛洛山美洲天文台 4 米望远镜。图片来源： 雷达尔·哈恩/费米实验室, CC BY

第一个表明暗能量存在的结果仅使用了几十颗超新星。暗能量勘测的最新结果使用了大约 1,500 颗爆炸恒星，精度更高。

该调查利用安装在智利托洛洛山美洲天文台 4 米布兰科望远镜上的特制相机，发现了数千颗不同类型的超新星。为了确定哪些是 Ia 型（我们测量距离所需的那种），我们使用了新南威尔士州赛丁斯普林天文台的 4 米英澳望远镜。

英澳望远镜进行了测量，分解了超新星发出的光的颜色。这让我们看到了爆炸中各个元素的“指纹”。

Ia 型超新星有一些独特的特征，比如不含氢和硅。有了足够的超新星，机器学习使我们能够有效地对数千颗超新星进行分类。

比宇宙常数更复杂

最后，经过十多年的工作和研究大约 1,500 颗 Ia 型超新星，暗能量巡天得出了新的最佳测量结果 w。 我们找到 w = –0.80 ± 0.18，因此介于 –0.62 和 –0.98 之间。

这是一个非常有趣的结果。它接近 –1，但并不完全准确。要成为宇宙常数或真空能量，它必须恰好为 –1。

这给我们留下了什么？考虑到可能需要一个更复杂的暗能量模型，也许在这个模型中，这种神秘的能量在宇宙的生命周期中发生了变化。

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图片来源：Ia 型超新星的遗骸——一种用于测量宇宙距离的爆炸恒星。 NASA / CXC / U.Texas, CC BY

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