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宇宙大爆炸”理论正面临破产？( 二 )


超星系团Abell 901/902拥有数百个星系和大量暗物质 。 图中用洋红色描绘了暗物质的大致分布区域 。 NASA / ESA / C. Heymans (University of British Columbia) / The STAGES Collaboration / ESO / C. Wolf (Oxford University) / The COMBO-17 Collaboration针对暗物质难以被探测的另一种解释是 ， 宇宙的最初时刻可能和宇宙学家想像的有很大差异 。 以“弱相互作用大质量粒子”为例 ， 计算显示 ， 新生的宇宙可能在其最初的百万分之一秒内制造出了大量的此类粒子 ， 当时它们和周围由夸克、胶子等亚原子构成的粒子浆达成了某种均衡 。 “弱相互作用大质量粒子”可能在这些环境中幸存了下来 ， 最终构成了我们今天宇宙中的暗物质 。 而这一过程取决于它们如何互相影响 ， 以及相互影响的概率有多大 。 但是在计算中 ， 科学家常常假设在最初的时刻 ， 空间的膨胀是均匀的 ， 没有意外事件 ， 也没有相态的改变 。 所以假如我们说这种简单的假设是不成立的 ， 也是合理的 。尽管宇宙学家对我们宇宙在其一生的大部分时间中如何膨胀已经了解了很多 ， 他们对宇宙大爆炸后的认识仍然很少 ， 更不用说宇宙的最初时刻了 。 对于解释宇宙在其最初时刻如何演化 ， 发生过什么样的事 ， 我们在根本上是没有直接观测证据可以依赖的 。 宇宙的这一纪元是不可见的 ， 它深埋在无法穿透的能量、距离和时间之中 。我们对宇宙这段历史的认识 ， 比基于推断的猜想还要少 。 如果在时间上回溯足够久远 ， 我们所知的与宇宙有关一切都可能与今天完全不同 。 那时的物质和能量可能是以与今天完全不同的形态存在的 ， 它们之间的作用力 ， 也有可能是我们从未见过的 。 那时可能发生过科学尚无法解释的关键性事件和状态转变 。 物质之间可能以完全不同的方式互相影响着 ， 而空间和时间本身也可能有与今天我们所知完全不同的行为方式 。宇宙大爆炸”理论正面临破产？
旋涡星系NGC 3972在扮演宇宙距离标尺方面起了重要作用 。 这个星系内有大量造父变星 ， 可供天文学家丈量相对较近星系的距离 。 2011年这个星系内还出现了一颗Ia型超新星 。 科学家可以通过它们测算哈勃常数 。 NASA / ESA / A. Riess (STScI / JHU)基于这一理念 ， 许多宇宙学家开始考虑一种可能性 ， 即我们找不到组成暗物质的粒子 ， 其原因不仅与暗物质本质本身有关 ， 还有可能与暗物质的形成时期有关 。 因此在研究暗物质的同时 ， 许多科学家开始研究起宇宙大爆炸后的最初时刻 。1929年 ， 埃德·温哈勃发现星系离我们远去的速度与它们和我们的距离成正比 。 这是宇宙在膨胀的首个清晰证据 。 从此以后 ， 当前宇宙膨胀的速度——哈勃常数——成了宇宙学家眼中我们宇宙的关键特性之一 。公平地说 ， 测量哈勃常数一直以来都是个难题 。 哈勃的最初测定由于存在系统性错误 ， 导致结果比实际值高出近7倍 。 1990年代 ， 教科书中提及的哈勃常数低的只有50km/s/Mpc ， 高的可达100km/s/Mpc 。 尽管近二十年来测量精度不断提高 ， 人们仍未能获得一个统一的接近正确的值 。 事实上 ， 随着这些测量水平的提高 ， 不同测量方式得出结果间存在差异的情况也越来越频繁 。宇宙大爆炸”理论正面临破产？
南极“冰立方”中微子天文台 ， 其任务就是寻找来自宇宙的中微子 。 在这些亚原子粒子中 ， 理论上会有一部分来自暗物质的候选者——“弱相互作用大量粒子”的衰变 。 但是至今什么都没发现 。 Martin Wolf (IceCube / NSF)测量哈勃常数的一种方法是 ， 测量那些天体正在以多快的速度远离我们 ， 正像哈勃1929年所做的一样 。 哈勃利用了一种特殊的变星来进行测量 ， 也就是“造父变星” ， 一种固有亮度（光度）和它们的明暗变化周期有准确对应关系的变星 。 现代宇宙学家仍在利用造父变星进行测量 ， 但与此同时又增加了一些天体类型 ， 比如Ia型超新星——一种爆发的白矮星 ， 它们的固有亮度基本上都是一样的 。 研究人员综合所有最新数据之后发现 ， 宇宙的膨胀速度大约是72至76km/s/Mpc 。但是故事还没有结束 。 宇宙学家还可以通过研究宇宙大爆炸后38万年时 ， 首批原子形成时期遗留下来的微光 ， 来推断哈勃常数 。 这微光 ， 也就是所谓的宇宙微波背景中的温度细微变化 ， 呈现了当时宇宙中物质是如何分布的 。通过仔细的分析 ， 我们可以从微波背景中读出许多与年轻宇宙有关的细节 ， 包括当时存在着多少物质和能量的其他形态 ， 以及空间是如何膨胀的 。 宇宙微波背景告诉我们 ， 哈勃常数大约是67km/s/Mpc ， 这个数值比宇宙学家通过更直接的测量方法得出的结果小得多 。宇宙大爆炸”理论正面临破产？
“天线星系”由一对相互影响的旋涡星系NGC 4038和NGC 4039组成 。 它们距离地球约6500万光年 ， 拥有许多造父变星和一颗Ia型超新星 。 这对星系是少数同时拥有这两种“标准烛光”的星系之一 。 ESA / Hubble & NASA这意味着什么？假设这些研究已经正确地把所有系统的不确定性考虑在内 ， 这两种测量哈勃常数的方式就是不相容的——至少在标准宇宙学模型框架内是这样 。 要让这些矛盾的结果相容 ， 天文学家必须改变对宇宙膨胀和演化的思考方式 ， 至少重新考虑宇宙大爆炸后几十万年间物质和能量的存在形式 。根据爱因斯坦的《广义相对论》 ， 空间膨胀的速度取决于其所含物质和其他能量形式的密度 。 当宇宙学家从宇宙微波背景中获取哈勃常数的值时 ， 他们必须对暗物质、中微子和其他成分的含量作出假设 。也许针对存在于用不同方式测得的哈勃常数间的差异 ， 最简单的解释是 ， 在最初几十万年 ， 宇宙中存在的能量比人们之前设想要多 。 这些能量可能会以某种奇异的、难以相互影响的轻粒子形态存在 ， 或以某种早已消失的真空暗能量形态存在 。 也有可能宇宙演化史上存在某些我们还不了解的阶段 。 我们只是还不知道该如何去解开这个难解之谜 。


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