暗能量与宇宙膨胀

来源：牧夫天文

暗能量与宇宙膨胀

在标准宇宙模型中，暗能量充满了宇宙。它占了宇宙的70%还多，并促使宇宙加速膨胀。但有一个问题是，当我们用不同的方法来测量宇宙膨胀的速度时，却得到了不同的结果。

哈勃太空望远镜拍摄的NGC526超新星1994D照片

来源：NASA/ESA

有几种方法可以测量宇宙膨胀速度。一种是测量遥远星系的相对运动。这是通过观察这些星系中的超新星发出的光来完成的。Ia型超新星有一个相当统一的标准亮度，所以通过测量它们的观测亮度，我们可以知道它们所在星系的距离，然后与观测到的星系红移相比较，从而确定哈勃常数。科学家们正是用这种方法最先发现了宇宙是在加速膨胀的。

普朗克探测器捕捉到的宇宙微波背景辐射涨落

来源:ESA/普朗克

另一种方法是观察宇宙微波背景。虽然宇宙微波背景温度几乎一致，约为3 K，但在天空的不同区域，温度有细微的差异。这些差异的大小取决于宇宙膨胀的速度。普朗克探测器对宇宙微波背景的观测给了我们一个很好的测量哈勃常数的方法。这是完全独立于超新星测量方法的。原则上，这两种测量方法得出的结果应该是一致的，但事实并非如此。

普朗克的测量结果给出的哈勃常数是67 - 68 (km/s)/Mpc，而超新星的观测给出的却是71 - 75 (km/s)/Mpc。在过去，由于这两种测量的方法精确度不高，以至于它们的测量结果看起来差不多，但差别还是显著的。这并不意味着暗能量理论是错误的，而是意味着我们对暗能量还有不了解的地方。

理解这些不同测量结果的困难之一是它们都依赖于对宇宙的某些假设。其中一个假设就是宇宙在空间上是平的。换句话说，我们从遥远的星系看到的光基本上是沿着一条直线行进的。它并不会因宇宙整体的扭曲而变形。但是在普朗克数据中有一些证据表明空间可能有一个小的整体曲率。这有助于解释为什么不同测量方法会得出不同的结果。

暗能量曲率值

来源:Jeremy Tinker/SDSS-III

为了解决这个问题，天文学家们研究了其他测量宇宙膨胀的方法。一种方法是测量星系如何大规模聚集。星系团的形成是因为早期宇宙密度的微小差异，即重子声学振荡(BAO)。当引力试图把星系拉得更近时，暗能量则试图把它们分开。结果，星系形成了密集的超星系团，这些超星系团又被巨大的空隙隔开。这些空隙的大小使得我们能够测量哈勃常数。

最近，一个研究小组对星系群进行了目前为止最全面的测量。他们有一些有趣的发现。首先，由于空隙的结构取决于暗能量和空间的整体形状，研究小组确定宇宙在空间上是平的。宇宙曲率不能解释不同的值。他们得到的哈勃常数是70 - 74 (km/s)/Mpc，这与超新星探测方法测量的结果一致。但他们的观测主要集中在红移z < 2的星系上，也就是90亿光年以内的星系上。当他们增加来自更遥远星系的数据时，测量结果变为68 - 70 (km/s)/Mpc，这更符合普朗克探测器的测量结果。

这一切都表明宇宙是平坦的，暗能量是非常真实的存在，但它仍有我们不能理解的奇怪之处。