赵陌

宇宙的黑暗的一面

科学家们正在试图理解为什么宇宙是远离他们

在5吨和520像素,这是有史以来最大的数码相机,因为它是恰当的建设旨在解决最大的问题在宇宙。2月20日人员在山丘Tololo泛美天文台(如图),位于2200米(7200英尺)以上海平面在智利北部的阿塔卡马沙漠,将开始安装这个庞然大物在望远镜称为布兰科。这一引人注目的暗能量的调查(DES),最雄心勃勃的理解一个谜一样,面临复杂的物理学:是什么推动了宇宙膨胀的速度越来越大。

它已经知道自1920年代末以来,宇宙是越来越大。但这是认为扩张正在放缓。当1998年两个独立的研究得出了相反的结论,宇宙学被颠倒。自那时以来,已经写到5000篇论文试图解释(或解释)这个结果。“这是超过一个一天,“奇迹萨尔·波尔马特、劳伦斯伯克利国家实验室的领导超新星宇宙学项目的研究,负责把炸弹。去年10月,博士的工作让波尔马特诺贝尔物理奖,他和布莱恩·施密特和亚当·里斯分享,他们带领其他研究,高红移超新星搜索。

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恒星astronomyAlbert EinsteinPhysicsScienceAstronomyMany 5000篇论文的处理事情,已经到了被称为暗能量。它的流行的原因之一是,一下子,它解释了另一个大宇宙发现最近几年的。在1990年代早期研究宇宙微波背景(CMB),一个普及的海的微波,揭示宇宙看起来像当它只是380000岁,表明宇宙,那么现在,是“平的”。然而大一个三角形在角落你画—可能是数十亿光年角度会自动添加到180°,正如他们在一个学校练习本。

这可能不是惊讶那些几何努力从未超越这样的书。但这出乎很多物理学家。在一些尺度空间不是平:权力的阿尔伯特·爱因斯坦的相对论,在于其解释重力从弯曲的空间。宇宙学家相当准备弯在最伟大的鳞片,好奇地发现,它不是。

黑暗的思想

相对论说,宇宙是平坦的,它必须有一个非常特别的密度,在相对论是一个测量的质量不仅包含在一个特定的体积,但也的能量。令人困惑的是,各种不同的证据都表明,宇宙的养老的普通物质(那些人,行星和恒星是由)会给它只是4%的密度。添加在非凡的事——“暗物质”,而不是由原子组成,与宇宙的其他几乎只有通过重力获得最多一个额外的22%。导致几乎四分之三的临界密度下落不明。理论家如迈克尔·特纳,芝加哥大学的,确信有一些大了的宇宙图像。

无论它是推动宇宙加速膨胀的适合该法案相当好。添加所需的能量让宇宙加速去数量的物质和能量在宇宙中已经占了和你有或多或少的确切密度的物质和能量来让宇宙平。但是有一个问题,因为这个金额来统计,“暗能量”是特纳被认为创造了这个词),一定很奇怪的东西事实上。根据爱因斯坦的相对论,能量形式的辐射有同样的重力效应物质做光子是组成光施加一个压力,这反过来又增加了万有引力。为了推动其加速度,然后,暗能量必须有一个排斥效应。它必须,换句话说,产生负压。

分暗能量的压力(负面),它的能量密度(积极的),你得到一些宇宙学家标签“w”。很容易看到,w必须负。自1998年以来的观测表明,w是非常接近1。如果它被发现完全1,这将使一些物理学家叫暗能量的宇宙常数。一个宇宙常数是一样的,不管你在宇宙看起来一个固有的、不变的特性的织物的创作,无论它的扩张,扭曲或关系本身在海里。

宇宙常数是另一件事情首先想出来的爱因斯坦。在意识到相对论方程式允许宇宙膨胀(或,事实上,收缩),他添加了一个参数描述这样一个常数,以防止其做要么。对于所有他的臭名昭著的违反直觉的预言,宇宙的膨胀是一个他不准备支持,至少在1917年,他出版了他的理论。埃德温•哈勃发现后12年后,其他星系确实流远离地球的银河系的后院,爱因斯坦放弃了调整。毫无疑问,生气,他没有信任他的数学首先,他后来被称为宇宙常数他的“最大的错误”。

到那时,尽管,宇宙常数已经抓住了量子理论家,自己处在把物理上它的头。量子理论认为,看似空真空的空间,事实上,不是空的。相反,它不断的“虚拟”粒子存在的进进出出。产生的能量从所有这些嗡嗡的真空能量应该是一个固定功能的恒心,换句话说,一个宇宙常数。

串接在一起

和,原则上,它还可以推动宇宙膨胀。因此真空能量,暗能量可能是同样的事情。但是这个理论整洁跑进一个实际问题。一个天真的方法,量子理论说,真空能量应该高达1060到10120倍暗能量的估计能量密度。一些物理学家称之为“有史以来最糟糕的预测”。找出为什么真空能量是不那么巨大的一直是一个问题对于物理自从。

悬崖博格斯,从圆周理论物理研究所位于加拿大安大略省滑铁卢市,和作者的为数不多的5000篇论文波尔马特博士挖出了,认为他有一个解决方案;真空能量是巨大的,但这是几乎所有隐藏在额外空间维度。与熟悉的三长、宽、高,这些额外维度蜷缩得太紧,他们躲避检测(尽管科学家正试图撬开在粒子加速器中像日内瓦附近的大型强子对撞机)。额外维度是感兴趣的,因为弦理论,一个班的数学模型基于量子理论,旨在描述现实的最基本方法,要求至少有六个人,也许更多。

是什么让伯吉斯博士的提议不寻常的是,他出去冒个险,建议这些消耗,卷曲额外维度应该是大如几微米,庞大的弦理论的标准。他们之所以没有被注意到的芯片制造商,病毒学家和其他人注意的事情在微米,他声称,,像暗物质,他们却只对重力,相对忽视其他三大自然的基本作用:电磁力和弱核力和强大。这可能听起来像一个廉价的借口,但它使健壮的数学意义。和它使预测;在微米尺度之间的相互吸引力两个群众将不再依赖于它们之间距离的平方成的物理学家自牛顿需要它。

一个实验在华盛顿大学的Eric Adelberger为首,测试这个想法使用世界上最敏感的扭秤,一个加强版的工具包亨利英国物理学家卡文迪什用来测量重力第一次直接在18世纪晚期。它由一个磁盘与孔沿着它的边缘用绳子悬挂水平,微米以上,另一个类似的多孔板。当磁盘旋转底部的材料其孔之间施加一个微小的引力作用在材料之间的穴前磁盘,使其旋转,尽管只有十亿分之一个学位。到目前为止,艾萨克爵士赢。Adelberger博士证实,牛顿的预测是正确的到44微米。但实验仍在继续,和伯吉斯博士是在押宝牛顿连胜不会持续太长时间。

如果伯吉斯博士是正确的,真空能量,暗能量是一回事,一个宇宙常数,和w等于1。什么,不过,如果它不是吗?然后暗能量必须是一件随空间、时间,或者两者兼有,而接近1今天只是巧合。名称适用于这样东西包括精华,k精华,幻影能量和一堆更多,这取决于你问什么属性的理论家你认为可能。这将是一个新的基本力量,一抬头,只在巨大的宇宙的距离。

另一种是猴子和一个现有的力量。一些物理学家宁愿乱动爱因斯坦的相对论,例如通过重力弱在极长范围。这是棘手的。它是出了名的难以修改广义相对论的方程不损坏无法修复的理论。这是原因之一,其经久不衰的吸引力。另一个原因是,他们已经证实了一次又一次的考试范围从分钟测量尸体绕太阳系最远的观测已知光源,类星体,数十亿光年从地球。任何新理论,然后,有其工作哪有不切当然,停止理论家努力。

更精确的w来看起来像1,更多的热情将会有对宇宙常数的理论,它要求值,和更少的热情将会有第五部队和修改引力,部分的魅力是他们可以使用其他值。这就是望远镜就像山丘Tololo进来。现有的数据从地面和太空望远镜把w在-1.1和-0.9之间。DES将致力于缩小利润的不确定性下降到仅有0.01。这样做,它将需要400 1 g 525夜拍的夜晚在5年内(剩下的望远镜时间划分其他科学项目)。和它将使用一个数组聪明的技术来分析数据。

通过一个宇宙透镜,弯曲地

第一个是一个由来已久的方法借用Perlmutter博士施密特博士博士和里斯和用于研究被称为超新星爆炸的恒星。这些来自于不同的变体。一些名为Ia型,总是爆炸几乎完全相同的能量。他们是,因此,同样明亮。因为亮度降低以可预测的方式和距离,Ia型超新星使优秀的宇宙的标准。因为光速是恒定的,知道多远这样的“标准烛光”是(计算从它的亮度从地球上观察)是知道多久以前它爆炸了。率,恒星和星系正在远离地球,与此同时,他们可以被算出来红移。作为光在空间,这是拉伸,其波长也过高,其频率变化对光谱的红端。扩张的速度越快,越红移。

什么超新星宇宙学项目和高红移超新星搜索两个发现,别人后来证实,那是遥远的恒星爆炸更加暗淡,所以远比他们的红移,意味着他们应该如果宇宙一直在扩大以稳健的步伐在。因此必须扩张加快了最近。

最初的两组数据基础这个结论仅50超新星。这个号码已经增长了10倍,但是仍然有很大余地的宇宙常数来证明,嗯,不那么常数毕竟。约书亚Frieman负责人,希望他的团队将DES最终分析超过4000恒星爆炸,一些远在70亿光年。他们爆炸当宇宙目前的年龄和是一半,研究人员现在认为,仍由重力的事里面,这是抑制膨胀。暗能量,它是思想、谋利的事情大约50亿年前。一个更好的估计的时间一个让位给其他有助于确定w。

天体音乐

除了超新星搜索,将列车的望远镜十片的天空,Frieman博士和他的同事们希望发现和追踪爆炸、DES将扫荡夜空的八分之一为其他线索,使用三个其他的方法。这些都依赖于投掷一车车的计算能力在看似随机的数据以梳理小统计异常。

一个方法寻找影响声波起源于大爆炸:重子声学振荡(包)。在大爆炸的原始汤的粒子,称为重子光子密度波流体,如声波在空气,虽然远广阔的。当液体冷却到足够,虽然,重子(粒子,原子核是由)和光子分手。光子成为现在的宇宙微波背景;这是事实,他们与物质无关宇宙大爆炸以来,使得招商银行这样一个非凡的窗口到早期的宇宙。

与光子不再愿意玩,将不会有更多的重子光子流体。被困在位置的重子。在振荡流体有隆起的重子紧密,他们依然隆起,在那里他们已经稀薄他们仍然稀疏。更高的密度地区成为确定的种子的平均分离这些星系显现的波长振荡在原始流体。这种特点规模一直伸至约450光年;测量它早期是另一种方式来显示宇宙速度一直在扩大。

最后两个的DES的技术措施不仅利率的扩张,因为超新星和宝搜索做,也是增长的宇宙结构像星系群。跟踪集群的大小和形状通过时间给一个想法的引力之间的拔河,把它们放在一起,暗能量,把他们分开。这可能有助于回答这个问题是否扩张到暗能量,仅在这种情况下,物理学家们期望之间的关联结果从所有四个技术,或修改的重力,如果最后两个不符合前两个。

调查的一个方法是计算结构的群集的数量质量给定的在一个给定的体积的空间在不同的红移。这是比听起来要难,因为85%的质量是看不见的暗物质。但它可以间接测量,例如通过观察热的气云得到他们拉向集群的暗物质核心的重力。

另外,物质的分布,两个黑暗和单调,我们可以从它对光线的影响。相对论要求路径被弯曲的光通过大规模的对象。较重的物体,更多的形象背后的东西是扭曲的。大多数时候,这种扭曲的星系是微小的图像通常是由2%左右拉伸的物质团块的时候,他们会将他们的方式在地球上的望远镜。让事情更加复杂的是,几个星系浑圆首先,所以很难说拉伸发生通过查看任何特殊的星系。幸运的是,光从所有的星系在给定地区的天空经过相同的物质团块在地球。所以从地球上看到的星系应该都是扭曲的在一个易磁化方向。观察不够,300年的DES的案例中,和一个模式应该出现,让天文学家模型结构负责弯曲。

结合所有的四个技术和一个清晰的宇宙加速的原因将会出现。至少,这是希望。奥弗Lahav表示从伦敦大学学院,谁负责DES的科学项目,说可能会回到DES w等于1一些类型的一个宇宙常数。

保存最好的直到台望远镜

其他,更加雄心勃勃的项目,将努力增加的精度测量的w .去年地面被打破了的‘大口径综合巡天望远镜(台望远镜),一个更大的仪器将帕切翁山上,10公里(6英里)Tololo山丘。尽管它的620美元预算等待最终批准美国国家科学基金会和能源部,科学家们希望它在2021年建成并投入使用。这台望远镜的猛犸相机将拥有3.2的两倍大。

然后有两个空间望远镜,每个都有一个标价为10亿美元左右。欧洲航天局计划推出欧几里得在2019年和美国国家航空航天局希望把宽视场红外巡天望远镜在轨道三年后。

这些项目不单独为探测暗能量的本质。台望远镜,例如,会发现小行星的蒲式耳包括一些可能危害地球。但不管怎样,他们是宇宙膨胀,和各种各样的其他天文企业,将会处理。

目前的问题是,没有数量的观察能确定这个数据对于w与完美的精度。这就要求无限精度,一些不可能实现即使在宇宙中不断扩大。和整个常数主意瀑布碎片如果w甚至一点点掉1。

波尔马特违抗重力

超过任何其他科学问题的宇宙膨胀的难题提出了科学家与某种生存窘境。“这可能是一个22 nd世纪问题我们偶然发现在20世纪,”特纳博士说。一些研究人员可能开始觉得时间应该花在其他科学的追求。

许多天文学家,包括Perlmutter博士,默默地希望作为DES和其他许多缩略词来在线,他们将弹簧另一个惊喜,就像第一次推动宇宙加速1998年成为了人们关注的焦点。他们是否做或没有,虽然,黑暗能量或任何其它引起宇宙速度是可能太大的一个难题,一代一代裂纹。它将导致科学家绞尽脑汁,多年来。