暗能量 – 星明天文台

作者|刘少华

审核|黄坚

编辑|席宇博

暗能量

在暗物质科普篇章中我们得知，根据Planck（欧洲航天局普朗克卫星）最新的探测数据表明，宇宙总质能中，68.3%为暗能量，26.8%为暗物质，普通物质只占了4.9%。暗能量甚至比暗物质还要神秘，而且它对整个宇宙演化的影响也非常大。人们目前对暗能量性质的假设是暗能量在宇宙中各向同性，密度为10^-29 g/cm^3，充满整个宇宙空间，不与通常物质发生任何除引力之外的已知相互作用，而是作用于时空结构本身，并导致了宇宙的加速膨胀。

宇宙质能分布（图片来源于维基百科）

目前虽然暗能量结构不为人所知，但有一些现象可以证明它们的存在。如1998年，高红移超新星搜索队观测组根据对Ia型超新星的观测，表明了宇宙正在加速膨胀。在宇宙微波背景的观测中，显示出宇宙接近平坦，因此宇宙的总物质量应该接近等于临界密度，但暗物质和通常物质的观测总量加起来还远不够，这就需要有额外的物质贡献质量。还有宇宙大尺度结构以及萨克斯-瓦福效应等都间接的推测出暗能量的存在。

宇宙微波背景辐射（图片来源于维基百科）

科学家们也建立许多暗能量的模型希望来解释所观测到的现象。小星在这里介绍二种理论模型，一是将宇宙学常数模型（ΛCDM）模型作为暗能量的候选者，二是引入一个标量场作为暗能量的候选者。二者都显示出了暗能量具有均匀与负压的性质，均匀性指的就是暗能量充斥着整个宇宙空间，而负压性可以理解为一种排斥力，及暗能量产生的引力实际上是一种排斥力，有时被称作“引力排斥”，由于暗能量所产生的排斥效应，我们的宇宙现在正在加速膨胀。

ΛCDM模型，加速扩张的宇宙（图片来源于维基百科）

宇宙学常数，起初是在爱因斯坦提出了广义相对论后，把理论应用到宇宙学当中，为了得到不随时间变化的静态宇宙模型，而引入的一个“排斥效应”的项。不久之后，哈勃定律证实了宇宙的膨胀，于是爱因斯将宇宙学常数移除并称这是他一生中最严重的错误，认为他为了得到一个错误的宇宙学模型而引入了宇宙学常数。但科学家们却发现由宇宙学常数构建的模型，刚好能够解释宇宙的加速膨胀，因此宇宙学常数成为了暗能量的候选者之一。

爱因斯坦（图片来源于维基百科）

同时为了描述暗能量影响宇宙的程度，我们需要引入一个参数ω——等于压力除以能量密度，构建暗能量状态方程。由于随着时间的推移其他影响因素忽略不计，暗能量状态方程也将成为整个宇宙的状态方程。宇宙学常数模型得出态参数ω为-1，表明压力和密度正好相反，但由于负压在方程中被赋予了更大的权重，因而宇宙学常数最终的贡献反而是加速了宇宙的膨胀。因此我们可以用参数ω来描述宇宙的最终命运。

暗物质分裂（图片来源于世界科学）

除了宇宙学常数模型外，暗能量也可能是某种动力学演化的场，引入一种标量场（可被称作“第五元素”），在此仅举例二个，Quintessence模型驱动宇宙加速膨胀，随宇宙的膨胀非常缓慢地稀释，最终一个速度加速膨胀下去，Phantom模型（ω＜-1）暗能量的密度随着宇宙的膨胀会越来越大，在有限的时间内，导致宇宙大撕裂。