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暗能量用来作为尺子会有意外发现?

时间:2024-06-25 18:47 来源:网络作者: 小七
【彩奇分享】

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

让我们先从两张图片出发。

图1左图是天文学家对当前宇宙中星系分布的一个模拟,右图则是在一张平面上随机撒点得出的图片

显然,真实的宇宙看起来比随机撒点看起来具有更丰富的结构形态,像大脑中的神经网络,又像高空俯视下的夜晚都市。

让我们换一张真实观测得到的星系分布图看一下。

图2是今年4月份DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument,暗能量光谱仪器)项目发布的第一年观测结果,放大的部分是距离我们较近的亮星系样本(Bright Galaxy Sample)。

乍看起来,图片中的星系分布的确有些许规律可循,但想简单用几句文字描述又乏善可陈。

不过,这可难不倒聪明伶俐的天文学家。

通过对宇宙的合理预测以及扎实的统计分析,天文学家在宇宙物质演化中发现了一个固有模式——重子声学振荡(Baryon Acoustic Oscillations, BAO)。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 1 左图:由N体模拟得到的宇宙大尺度结构;右图:随机撒点的分布。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图2 DESI第一年观测得到的星系分布。

放大区域是红移0.2以内亮星系样本,只包含DESI预计总观测数据0.1%。

https://www.desi.lbl.gov/category/blog/)

不甘堕落的重子物质

标准宇宙学模型下,宇宙中的所有物质可以分为暗物质和重子物质两个组分。

所有的物质都会产生引力并受到引力的作用。

但暗物质和重子物质的区别在于:暗物质只有引力的作用;而由质子、中子和电子等基本粒子构成的重子物质,除了受到引力的作用外,还会与光子耦合,受到光子辐射压的影响。

对于宇宙学研究者而言,如果宇宙一片平坦,处处一样的话,那未免也太过无趣。

事实上,宇宙在诞生初期各处都存在着量子涨落,导致宇宙中有的地方能量(物质密度)高些,形成势阱,有的地方能量(物质密度)低一些,形成势垒。

而正是这一点涨落,为物质的聚集提供了种子。

所有物质——暗物质和重子物质——在引力的作用下,都趋向于朝着物质密度高的区域(因为这里引力更强)堕落,导致势阱更深而势垒更高

但是,重子物质可不甘于就这么堕落下去。

它们与光子紧密结合在一起,就像一锅大杂烩的热汤。

这锅热汤在引力作用下不断流入势阱中,但同时热汤在下落过程中迅速升温,光子产生的辐射压增大,这股辐射压力抵抗着重子-光子热汤进一步堕落至势阱深处的引力,并进而推动热汤向外膨胀。

就像弹簧一样,在向外膨胀过程中,热汤冷却,辐射压减弱,无法抵抗引力作用,热汤又开始向势阱流动。

图3的动画就生动展示了这个过程,黄色的小球模拟的是这锅重子-光子热汤,而弹簧模拟了引力和辐射压之间的博弈。

这样的过程会产生压力波或声波在热汤中传播,也就是所谓的重子声学振荡

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 3 重子声学振荡的一维示意动画。

不过这里要注意的一点是,实际宇宙并不是图三展示的仅有一个纬度。

宇宙在空间中有三个纬度,而且朝各个方向是相同的。

因此,实际上重子声学振荡可以看做是宇宙中数不清的球壳在不断膨胀和缩小

如果抽象的想象这个场景比较困难的话,可以去楼下便利店买一个泡泡糖,将泡泡吹开后,不断的吹气吸气,效果是差不多的(就是难度有点大罢了)。

泡泡不断长大

重子本以为光子会陪伴在自己身旁,一直站在对抗引力的第一线。

但宇宙在膨胀过程中,温度会不断降低。

在温度降低到一定程度的时候,即所谓的再复合时期(recombination epoch,重子中的自由电子和质子结合,牵手在了一起,形成中性氢原子。

原先一直与重子中自由电子作用从而耦合在一起的光子发现自己被抛弃,只好与重子解耦开始自由传播。

重子由于缺少了光子辐射提供的光压抵抗引力,被留在原地形成了一个个宇宙中的物质泡泡。

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