揭示宇宙的神秘面纱:欧几里得望远镜将寻找暗能量和暗物质的证据
科学家认为,我们只知道构成宇宙的大约 5% 的物质。
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是的,您没看错。宇宙学模型表明,根据现有理论,宇宙的 95% 必须由看不见的能量和物质共同组成。
宇宙的不可见部分由暗能量和暗物质两部分组成。后者稍微不那么神秘,科学家们相当肯定它的存在:没有它,引力规则根本就不起作用。如果只有可见物质的话,我们所看到的星系在大爆炸以来的时间内就不可能聚集到目前的大小。事实上,如果可见物质的引力是把它们拉在一起的唯一力量,许多星系甚至不会像现在这样聚集在一起。
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欧洲新的太空望远镜欧几里得将尝试绘制这种看不见的东西的地图,但如果它的发现不符合预期怎么办?很多事情都处于危险之中,包括爱因斯坦著名且被广泛接受的广义相对论。
20 世纪 30 年代,首次观测表明宇宙中必须普遍存在暗物质才能防止物体飞散。从那时起,天文学家发现这种看不见的暗物质必定占宇宙所有物质的至少85%。几十年来,科学家们一直在尝试探测这种看不见的物质,他们认为这种物质一定由某种粒子组成,可能类似于几乎不与可见世界相互作用的 惰性中微子。
然而,暗能量的情况更为复杂。这种难以捉摸的力量的发现可以追溯到1998年,当时天文学家发现宇宙正在加速膨胀。膨胀本身最初是由大爆炸的能量驱动的,但由于大爆炸发生得太久了(准确地说是138亿年前),这种膨胀应该会放缓。
为了弥补这个难题,理论家们假设一定存在某种神秘的力量,即暗能量,它可以对抗重力并驱使物质分离。根据 NASA 的宇宙学模型显示,暗能量占宇宙所有能量的 68% 。但天文学家承认,它存在的证据有点模糊。
英国兰开斯特大学天体物理学教授、欧几里得科学家伊索贝尔·胡克告诉 Space.com:“当你认为宇宙中只有引力时,宇宙[膨胀的加速]就没有意义。” “它不应该放慢速度。所以我们观察到它变得更快的事实意味着一定还有其他东西。我们只是称这种东西为暗能量,因为我们根本不知道它是什么。”
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胡克是 1998 年这一发现的团队成员之一,从那时起,就像许多其他科学家一样,他一直想知道这种暗能量到底是什么。
“我们真的不知道,”她说。“最好的理论是,它可能是空间本身的某种属性,就像一种随时随地、无处不在的能量,但没有解释它应该是什么。”
模型表明,这种能量必须均匀地分布在整个宇宙中,并且始终具有相同的强度。在宇宙的早期,暗能量的影响并不那么明显,因为大爆炸的原始“冲击”正在推动宇宙的大部分膨胀。然而,欧洲航天局(ESA)欧几里得项目经理朱塞佩·拉卡(Giuseppe Racca)告诉《太空》杂志,大约 5 到 60 亿年前,暗能量成为“一种主要力量,对抗正常物质和暗物质的引力”。
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“这有点令人不安,随着宇宙的膨胀,这种能量似乎具有恒定的密度,”拉卡说。“这意味着[额外的]能量是因为密度恒定而产生的。它不会被宇宙变大而稀释。所以这意味着存在额外的能量。”
然而,也有可能根本不存在暗能量这种东西,并且要求其存在的宇宙学模型是错误的。这些模型基于阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,该理论通过一系列方程描述了宇宙的物理“规则”。如果欧几里得望远镜(以及其他即将推出的旨在研究暗能量的望远镜)未来的观测表明暗能量并不是一种恒定的、无所不在的力量,那就意味着这个著名的理论并不完全正确。
“我们知道广义相对论在系统层面非常有效,”拉卡说。“但它有可能在宇宙尺度上效果不佳,因此不需要暗能量。”
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欧几里得将通过绘制 100 亿年前星系的分布图并比较这种分布在宇宙演化过程中的变化来寻找暗能量的证据。观察结果将揭示是否真的存在一种持续存在的无所不在的力量在起作用,或者是否可能有其他事情正在发生。
“我们可能会发现,我们并没有在任何地方都看到这种能量常数的影响,但我们在某个地方或时间上看到了一些差异,”胡克说。“然后事情就会变得非常有趣,这确实会是革命性的,因为我们必须彻底改变我们的理论。”
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这可能意味着发现者将获得诺贝尔奖。欧几里得望远镜于 7 月 1 日由 SpaceX 猎鹰 9 号火箭发射升空,需要六年时间才能绘制出银河系外三分之一天空的地图。只有这样,天文学家才会有足够的数据来确定。