宇宙的命运取决于什么?暗能量的性质!

宇宙的命运取决于什么?暗能量的性质!
2019年08月25日 11:44 新浪网 作者 科学探索

宇宙的命运取决于什么?暗能量的性质!

宇宙中存在数十亿个星系和数万亿颗恒星,还有数不清的行星、卫星、小行星、彗星、尘埃和气体云,所有这些天体的构成要素是什么?它们又从何而来?

氢是宇宙中最常见的元素,其次是氦,二者几乎构成了所有的常规物质。然而,常规物质只占宇宙的一小部分,大约5%。宇宙的其余部分都是由看不见的东西构成的,只能通过间接方法进行探测。

大部分是氢

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一切都始于大约138亿年前的一次大爆炸,当时,温度极高且密度极大的物质突然向四面八方迅速膨胀,几毫秒后,中子、质子、电子、光子和其他亚原子粒子组成了新生的宇宙,它们以大约1000亿开尔文的温度不断碰撞,做着高速运动。

元素周期表中所有已知的元素,以及宇宙中每一个天体,从黑洞到大质量恒星再到太空尘埃,都是在大爆炸期间产生的。我们甚至不知道在如此炽热、密集的环境中是否存在适用的物理定律。

大爆炸后大约100秒,宇宙温度下降到10亿开尔文,依然在沸腾,大约38万年后,宇宙冷却到足够让质子和中子聚集在一起形成锂、氦和氢同位素氘,而自由电子被捕获形成中性原子。

宇宙的命运取决于什么?暗能量的性质!

因为在早期宇宙中有很多的质子,氢作为最轻的元素,只有一个质子和一个中子,成为最丰富的元素,占宇宙原子的近95%。美国国家航空航天局(NASA)的研究称,宇宙中近5%的原子是氦。在大爆炸后大约2亿年时,第一颗恒星形成了,同时产生了其他的元素,这些元素只占宇宙其余1%的常规物质中的一小部分。

看不见的粒子

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宇宙大爆炸期间还产生了另一种看不见的事物:暗物质。然而,科学家还无法说明暗物质是以什么形式出现的,因为我们还没有探测到这些粒子。

在宇宙学中,暗物质是无法通过电磁波观测进行研究,即不与电磁力产生作用的物质,目前,科学家只能透过引力效应来推测宇宙中大量暗物质的存在,因此,暗物质目前还不能直接观测到,但是我们可以从宇宙的第一束光亮,即宇宙微波背景辐射中寻找暗物质的微小波动,从中获得相关的信息。科学家在20世纪30年代首次提出暗物质的存在,认为暗物质通过看不见的引力作用,将快速移动的星系团聚集在一起。

几十年后的20世纪70年代,美国天文学家维拉·鲁宾在研究恒星自转速度时发现了更多暗物质存在的间接证据,她发现星系外侧的速度比理论预期的快得多,因此推测可能存在相当数量的暗物质,使这部分不致因过大的离心力而脱离星系。

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根据这位科学家的发现,天体物理学家计算出,暗物质——即使看不见或测量不到——应该占宇宙的很大一部分,大约20年前,科学家发现宇宙中存在着比暗物质更奇怪的东西:暗能量。在宇宙组成中,暗能量被认为比常规物质或暗物质都要丰富得多,暗物质很可能由一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子构成,对暗物质和暗能量的研究是现代物理学和粒子物理学的重要课题。

不可抗拒的力量

暗能量假说是对宇宙加速膨胀的解释中最为流行的一种。暗能量的发现,源于科学家想知道宇宙是会加速膨胀,还是会减慢膨胀,甚至向内坍缩。

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当研究人员进行研究时,他们发现宇宙不仅没有向内坍缩,而且还在以前所未有的速度向外膨胀,研究人员断定,一种未知的力量——被称为暗能量——正在推动宇宙膨胀,并加速其动量,这些发现让物理学家亚当·里斯、布莱恩·施密特和索尔·珀尔马特赢得了2011年的诺贝尔物理学奖。

科学家发现,暗能量占宇宙的70%到75%,与此同时,暗物质约占20%到25%,而所谓的常规物质——我们实际上能看到的东西——估计只占宇宙的不到5%。事实上,暗能量并不是真正的能量。在爱因斯坦的理论中,能量是指所有具有引力效应的事物,包括常规物质、反物质、光和暗物质,相比之下,暗能量并没有引力效应,其导致宇宙加速膨胀的效应有时被称为“引力排斥”,使星系彼此远离。

2010年,科学家发现宇宙物质的72.8%为暗能量,22.7%为暗物质,4.5%为常规物质。2013年,普朗克卫星的数据是暗能量为68.3%,暗物质为26.8%,常规物质为4.9%。

考虑到暗能量约占宇宙的四分之三,因此理解暗能量无疑是当今科学家面临的最大挑战,虽然暗能量在过去的宇宙演化中没有发挥巨大的作用,但它将在未来发挥主导作用,因此,宇宙的命运取决于暗能量的性质。

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