最后更新：2023年3月21日

宇宙加速膨胀

膨胀的宇宙

当代宇宙学争论的核心是一个惊人现象：宇宙的加速膨胀。这一发现于20世纪90年代末问世，彻底改变了我们对宇宙动力学的理解，并催生了一种神秘新宇宙成分的假说——暗能量。

宇宙正在膨胀的观点可追溯至埃德温·哈勃的研究。他在20世纪20年代证实，星系正远离我们而去，且其退行速度与距离成正比。这一现象由哈勃定律描述，该定律确立了宇宙膨胀的事实，而阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程也印证了这一概念。

加速膨胀的发现

20世纪90年代中期，两个独立的天文学团队——超新星宇宙学项目（SCP）和高红移超新星搜索团队——开始观测Ia型超新星，这是一种特征性的恒星爆炸现象。由于这类超新星具有相对恒定的固有亮度，它们被用作标准烛光。

天文学家测量了这些超新星的视亮度，并通过将其与固有亮度进行比较，确定了它们的距离。同时，他们测量了这些超新星的红移，以计算其退行速度。这些测量揭示了一个意想不到的结果：在减速膨胀宇宙模型中，遥远的超新星显得比预期更暗，表明它们的退行速度比预想的更快。

这一发现得出了结论：宇宙的膨胀并未像先前认为的那样在减速，而是在加速。这引出了暗能量概念，这是一种神秘的能量形式，约占宇宙的68%，并施加负压，推动膨胀加速。

暗能量与宇宙常数

暗能量已通过宇宙学常数（Lambda）被纳入宇宙学模型，该常数出现在爱因斯坦的方程中。这一项最初是为了允许静态宇宙模型而引入的，如今被重新用来解释宇宙膨胀的加速。

宇宙学家们提出了不同的模型来描述暗能量：

宇宙常数（Λ）：爱因斯坦方程中代表均匀真空能量的常数项。
动态场：随时间改变暗能量性质的理论，例如精质模型或引力修正理论。

可观察到的证据

除了超新星，还有其他几项观测结果支持加速膨胀的观点：

宇宙微波背景辐射（CMB）涨落：由WMAP和普朗克卫星测量得到，这些涨落提供了关于宇宙组成的信息，并表明暗能量对于解释宇宙加速膨胀是必要的。
大尺度结构：对星系和星系团分布的研究表明，物质分布与退行速度符合包含暗能量的模型预测。
重子声学振荡（BAO）：星系分布谱中的这些结构也为膨胀加速提供了证据。

后果与未解问题

我们尚不清楚暗能量和宇宙加速膨胀的真实本质。物理学家正试图检验能够解释观测现象的两种范式——暗能量理论与修正引力理论。这将有助于排除一组理论。欧几里得或平方公里阵列射电望远镜等任务将有助于区分这两组理论。

日内瓦大学教授卡米耶·邦万教授开发了一种测试这两种范式的方法。该方法涉及比较宇宙中星系和星系团所产生的时间扭曲与空间扭曲。爱因斯坦的广义相对论预测这两种扭曲是相等的，而替代引力理论则通常认为这两种扭曲存在差异。

在宇宙最遥远之处检验爱因斯坦理论的有效性，无疑是未来宇宙学面临的重大挑战之一。

注：欧几里得（Euclid）是欧洲航天局（ESA）选定的一项太空任务（计划于2023年实施），有望为宇宙的真实本质提供答案。欧几里得将探测宇宙膨胀的历史以及宇宙结构的形成过程。其目标是测量宇宙中物质的分布情况，以及自大爆炸以来这种分布如何演变。该任务以古希腊数学家欧几里得（公元前300年）命名，他被誉为几何学之父。