首页 > 科学 > 神秘星球
x

暗能量用来作为尺子会有意外发现

神秘星球 2026-02-24 菜科探索 +
简介:让我们先从两张图片出发。

图1左图是天文学家对当前宇宙中 星系分布的一个模拟 ,右图则是在一张平面上 随机撒点得出的图片 。

显然,真实的宇宙看起来比随机撒点看起来具有更丰富的结构形态,像大脑中的神经网络,又像高空俯视下的夜晚都市。

让我们换一张真实观测得到的星系分布图看一下。

图2是今年4月份DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument,暗能量光谱

【菜科解读】

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

让我们先从两张图片出发。

图1左图是天文学家对当前宇宙中星系分布的一个模拟,右图则是在一张平面上随机撒点得出的图片

显然,真实的宇宙看起来比随机撒点看起来具有更丰富的结构形态,像大脑中的神经网络,又像高空俯视下的夜晚都市。

让我们换一张真实观测得到的星系分布图看一下。

图2是今年4月份DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument,暗能量光谱仪器)项目发布的第一年观测结果,放大的部分是距离我们较近的亮星系样本(Bright Galaxy Sample)。

乍看起来,图片中的星系分布的确有些许规律可循,但想简单用几句文字描述又乏善可陈。

不过,这可难不倒聪明伶俐的天文学家。

通过对宇宙的合理预测以及扎实的统计分析,天文学家在宇宙物质演化中发现了一个固有模式——重子声学振荡(Baryon Acoustic Oscillations, BAO)。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 1 左图:由N体模拟得到的宇宙大尺度结构;

右图:随机撒点的分布。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图2 DESI第一年观测得到的星系分布。

放大区域是红移0.2以内亮星系样本,只包含DESI预计总观测数据0.1%。

https://www.desi.lbl.gov/category/blog/)

不甘堕落的重子物质

标准宇宙学模型下,宇宙中的所有物质可以分为暗物质和重子物质两个组分。

所有的物质都会产生引力并受到引力的作用。

但暗物质和重子物质的区别在于:暗物质只有引力的作用;

而由质子、中子和电子等基本粒子构成的重子物质,除了受到引力的作用外,还会与光子耦合,受到光子辐射压的影响。

对于宇宙学研究者而言,如果宇宙一片平坦,处处一样的话,那未免也太过无趣。

事实上,宇宙在诞生初期各处都存在着量子涨落,导致宇宙中有的地方能量(物质密度)高些,形成势阱,有的地方能量(物质密度)低一些,形成势垒。

而正是这一点涨落,为物质的聚集提供了种子。

所有物质——暗物质和重子物质——在引力的作用下,都趋向于朝着物质密度高的区域(因为这里引力更强)堕落,导致势阱更深而势垒更高

但是,重子物质可不甘于就这么堕落下去。

它们与光子紧密结合在一起,就像一锅大杂烩的热汤。

这锅热汤在引力作用下不断流入势阱中,但同时热汤在下落过程中迅速升温,光子产生的辐射压增大,这股辐射压力抵抗着重子-光子热汤进一步堕落至势阱深处的引力,并进而推动热汤向外膨胀。

就像弹簧一样,在向外膨胀过程中,热汤冷却,辐射压减弱,无法抵抗引力作用,热汤又开始向势阱流动。

图3的动画就生动展示了这个过程,黄色的小球模拟的是这锅重子-光子热汤,而弹簧模拟了引力和辐射压之间的博弈。

这样的过程会产生压力波或声波在热汤中传播,也就是所谓的重子声学振荡

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 3 重子声学振荡的一维示意动画。

不过这里要注意的一点是,实际宇宙并不是图三展示的仅有一个纬度。

宇宙在空间中有三个纬度,而且朝各个方向是相同的。

因此,实际上重子声学振荡可以看做是宇宙中数不清的球壳在不断膨胀和缩小

如果抽象的想象这个场景比较困难的话,可以去楼下便利店买一个泡泡糖,将泡泡吹开后,不断的吹气吸气,效果是差不多的(就是难度有点大罢了)。

泡泡不断长大

重子本以为光子会陪伴在自己身旁,一直站在对抗引力的第一线。

但宇宙在膨胀过程中,温度会不断降低。

在温度降低到一定程度的时候,即所谓的再复合时期(recombination epoch,重子中的自由电子和质子结合,牵手在了一起,形成中性氢原子。

原先一直与重子中自由电子作用从而耦合在一起的光子发现自己被抛弃,只好与重子解耦开始自由传播。

重子由于缺少了光子辐射提供的光压抵抗引力,被留在原地形成了一个个宇宙中的物质泡泡。

在膨胀的宇宙学背景中,原先扩散速度比较慢的暗物质会有一小部分被泡泡的边界处的势阱吸引过来,泡泡内部的重子物质中的一部分也会加速向势阱内部流动,正如图四左边的动画所示

当然,宇宙肯定不止一个泡泡,不同泡泡的尺寸对应于不同波长的声波,光子解耦前泡泡能被吹到的最远距离(在共动坐标系中约5亿光年)被天文学家称为声学视界(sound horizon)。

此外,这些泡泡产生的位置是随机的,它们互相重叠在一起,会在宇宙中形成一个看似有点随机但又有那么点结构的物质结构,就像图4右边的动画所展示的那样。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图4 声学视界的形成与宇宙大尺度结构的种子。

测量泡泡的大小

那么,天文学家要如何去测量这些泡泡的大小呢?星系就是最好的示踪体

由于星系会趋向于形成在物质密度更高的地方,而声学视界的尺度上物质密度会比周围稍高一些。

因此可以预测:距离一个星系约5亿光年处产生另一个星系的统计学概率会更大(图5)。

或者直接统计分析的话,考虑观测样本中的所有星系对,计算每个星系对之间的空间距离,统计这个空间距离的数目分布,可以预期:约5亿光年处的星系个数有一个峰值(图6)。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 5 星系成团性中的BAO信号的艺术图,即在一个星系周围5亿光年处,有更大概率(找到)另一个星系。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 6 统计学上,一个星系不同距离处出现另一个星系的概率。

在5亿光年的共动距离上,有一个峰。

https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/baryon-acoustic-oscillations/)

要做这件事,天文学家要能精准测量宇宙中星系的位置。

这个位置不仅包括天球上的角位置,还要精准测量红移以确定径向距离

最早进行这项工作的是2000年开始的斯隆数字巡天项目,到目前已观测了20多年,测量出200多万个河外天体的角位置和红移,用于测量声学视界的信号。

但这对于贪婪的天文学家来讲还远远不够。

在斯隆数字巡天项目进行的过程中,天文学家就在筹划下一代更雄心勃勃的宇宙学红移巡天项目。

2024年4月,新一代巡天暗能量光谱仪器(Dark Energy Spectroscopic Instrument,DESI)公布了第一年的观测数据。

DESI一年的时间内扫遍了7500平方度的天区,测量570万个星系的精确位置。

一年便完成了它的前辈工作量的三倍。

有了这些精确的数据,DESI项目组精确测量了七个红移区间内声学视界的位置,并进一步向天文学家揭开宇宙奥秘的面纱。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 7 美国亚利桑那州基特峰国家天文台。

最大穹顶即DESI。

https://www.desi.lbl.gov/category/blog/)

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 8 DESI 测量7个红移区间的声学视界位置。

(https://arxiv.org/abs/2404.03002)

暗能量,你是什么妖怪?

为了解释宇宙加速膨胀的观测事实,天文学家引入了一种叫做暗能量的组分。

但对于这个组分的真实物理性质,天文学家却知之甚少。

长期以来。

天文学家都假设暗能量是一个宇宙学常数,即其能量密度不随时间发生变化,均匀地填充在空间中

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 9 假设暗能量以ω=ω+ 1-aω的参数化形式表达,参数的后验分布与虚线相交的点(暗能量为宇宙学常数)有所偏离。

https://arxiv.org/abs/2404.03002 )

然而,DESI第一年的观测数据却发现,暗能量的性质似乎会随着宇宙演化而变化,即动力学暗能量

假设暗能量的状态方程参数(即暗能量压强与密度之比)以ω=ω+ 1-aω(a是尺度因子,随着宇宙膨胀而增大)的形式来描述,DESI的数据暗示暗能量与ω=-1,ω=0,的宇宙学常数描述有一定的偏离。

这表明暗能量的性质可能并不如天文学家以前设想的那么简单,或许蕴含着更加丰富的物理性质,具有更加有趣的物理起源。

不过,现在并没有在统计上具有极高的置信度确定动力学暗能量的存在,也可能是统计误差涨落导致的结果。

我们最近的工作Wang et al. 2024 arXiv:2405.02168经过进一步分析发现,暗能量偏离宇宙学常数的主要来源是红移0.7附近的亮红星系(Luminous Red Galaxy, LRG) 观测得到的重子声学振荡峰的位置。

如果把这个部分的观测信号去掉,那么暗能量在一定程度上还符合宇宙学常数的描述,见图10(橘黄色轮廓)。

这一结果并非是对DESI结果的否定,而是指出:在未来,对这部分观测数据的分析需要更加谨慎。

暗能量用来作为尺子会有意外发现?

图 10 去掉LRG2的数据后,参数后验分布回归十字相交点。

当然,暗能量究竟是如何一种妖怪,还需要天文学家动用火眼金睛收集到更多的信息才能逐渐看透它的本质。

DESI此次释放的也仅是其第一年的观测数据,DESI的一期项目是一个长达五年的巡天。

可以期待,在不久的将来,DESI的后续数据将能够更好地帮助天文学家认识宇宙,揭开暗能量神秘的面纱。

作者简介

蔺是杰,北京师范大学物理与天文学院天文学专业2022级研究生;

研究方向包括宇宙大尺度结构、强弱引力透镜现象等。

丁浙杰,上海交通大学天文系博士后,DESI合作组成员;

研究方向:宇宙大尺度结构,BAO的重构、测量与系统误差分析,数值模拟分析等。

木星是气态行星,如果把木星上的气体全部吹走,会结果

木星是一颗巨大的气态行星,其质量约为地球的318倍,体积更是高达地球的1300多倍,在太阳系八大行星中,木星是绝对的“老大”,这使得我们人类对这颗巨大的行星格外关注,关于木星的各种稀奇古怪的问题也层出不穷。

比如说有人就提出了这样一个问题:既然木星是气态行星,那如果把木星上的气体全部吹走,会有什么结果呢?下面我们就来讨论一下。

首先要讲的是,所谓的气态行星并不是指全部是由气体构成的行星,而是指不以岩石或者其他类型的固体为主要成分、没有确定的固态表面的行星,也就是说,气态行星也是可以拥有固态核心的。

那么木星到底有没有固态核心呢?其实这个问题的答案也是科学家们很想知道的。

尽管以人类当前的科技水平,暂时还不能直接进入到木星深处去直接探索,但通过探测器在木星附近收集到的数据,我们还是可以间接猜测出木星的内部结构。

如上图所示,在探测器飞越木星的过程中,其发出的无线电信号会因为木星的引力变化而出现细微的多普勒频移,通过大量对照探测器的实际轨道和理论轨道的差异,就可以构建出木星的重力场模型,进而猜测出木星内部的质量分布。

科学家根据“先驱者10号”、“旅行者1号”、“旅行者2号”、“伽利略号”、“朱诺号”等多个探测器传回的数据猜测出,木星很可能存在一个由重元素构成的固态内核,其质量在地球的12倍至45倍之间注:这里的重元素是指比氢和氦更重的元素。

因此科学界普遍认为,木星应该有一个致密的固态核心,其外包裹着大量的氢和氦注:木星主要由氢和氦构成,其中氦占其质量的大约4分之1,其他的绝大部分都是氢。

由于随着深度的增加,木星上的物质会逐渐变得更热、也更致密,因此木星的结构应该是:最外层是气态的氢和氦,当深度增加到一定程度时,氢和氦就以液态存在,而在更深的位置,极端的压强会将氢原子中的电子“挤”出来,使得它们像金属一样可以导电,这种状态的氢也被称为“金属氢”,在此之下就是木星的固态核心大概如下图所示。

据此我们可以得出,木星上层的气体一旦消失,木星上的那些原来处于高压状态下的液态氢、液态氦以及“金属氢”都会因为失压而转变成气体,在这种情况下,如果把木星上的气体全部吹走,其结果就是木星会失去几乎所有的氢和氦,只剩下一个比原来小得多的固态核心。

值得一提的是,虽然我们人类目前并没有能力把像木星这样的气态行星上的气体全部吹走,但宇宙中那些能量巨大的太阳却可以做到。

从理论上来讲,假如一颗气态行星与其主太阳的距离太近,它的气体就会被主太阳不断地剥离,久而久之,这颗气态行星就会只剩下一个固态核心如果它有的话,科学家给这种奇特的天体起了一个奥秘的名字——“冥府行星”Chthonian planet。

有意思的是,我们有可能已经发现了一颗“冥府行星”。

这颗星球被命名为“TOI-849b”,距离地球大约730光年,由“凌星系外行星巡天卫星”TESS于2020发现,其主太阳被命名为“TOI-849”,是一颗与太阳相似的黄矮星。

观测数据表明,“TOI-849b”的体积与我们太阳系中的海王星差不多,但它的质量却大约是海王星的2.3倍,地球的39.1倍,密度约为5.2克/立方厘米,与像地球这样的岩石行星相当。

另一方面来讲,“TOI-849b”距离它的主太阳非常近,以至于其表面温度可以高达1530摄氏度左右,并且大约每18个小时,它就会完成一次公转。

所以我们可以做一个合理的猜测,“TOI-849b”曾经是一颗与木星相似的气态行星,后来因为某种原因迁徙到了距离其主太阳非常近的轨道,在此之后,它的气体就持续地被主太阳“吹”走,最终演化成了一颗“冥府行星”,而这也很可能就是木星上的气体被全部吹走后的结果。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

既然木星是气态行星,那么人类发射的航天器能不能直接穿过木星

行星是天体的一类,是指自身不发光,同时围绕太阳做周期性公转运动的天体,通常可以分为行星、矮行星和小行星。

比如在太阳系内,水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星就是属于行星,而冥王星,则和谷神星、阋神星、鸟神星等一起属于矮行星。

穿越木星在太阳系内,位于火星和木星轨道之间还存在着数以十万计的小行星,我们称为小行星带。

当然,我们人类最为关注的还是八大行星,我们根据八大行星的物理性状可以分为两类,一类是和地球一样具有固体表面,岩石行星,称为类地行星,包括水星、金星和火星。

太阳系示意图另外一类就是和木星一样,是有气体来组成的行星,在太阳系内包括木星、土星、天王星和海王星,这些行星和类地行星来比,通常具有体积和质量更大,但是由于是气体组成,所以往往平均密度较小。

那么,既然木星是气态行星,那么我们人类发射的航天器,包括宇宙探测器,或者将来有可能发射的宇宙飞船,能不能直接穿过木星?太阳系八大行星目前来看,人类发射的航天器很难穿越木星,我们这里假设我们从木星的中心穿过。

虽然木星是一颗气态行星,那只是表明木星的主要组成成分是气体,主要是氢和氦,从木星的结构来看,最外面是包围整个木星的大气层,充满着气体,而且在不停的运动之中,形成气体旋涡,比如著名的“大红斑”。

木星南极洲而在木星大气层之下,随着越往木星内部,压力越来越大,气体被不断压缩,形成了液态金属氢,这需要的压力相当于25万个地球大气压,我们要用什么材料才干承受这种压力呢?如果再往木星内部前进,到了木星的中心,我们猜测虽然木星是一颗气态行星,但是其中心是有一个岩石核心,由硅酸盐和铁来组成。

所以在物体状态下,木星内部的高温、高压,以及岩石内核都不支持航天器穿越它。

木星内部结构木星在行星分类上,是一颗气态行星,但是这里的气态,并不是我们地球上所想象的像我们的大气层一样的气体。

我们知道,就算是地球上的大气层,当天宫一号从宇宙坠落,经过大气层时,也会因为剧烈摩擦而燃烧,更何况是更为稠密的木星大气层,所以,以目前的人类技术,别说穿越木星,连木星大气层这一关都过不了。

木星探测器“朱诺号”人类的认知是有限的,我们只能在现有的条件下进行假设,就像农业社会时期的人类,也无法想象现在的互联网时代。

那么,我们说无法穿越木星,也是基于当前的认知,说不定在将来,人类科技进步,就能实现。

朱诺号发射升空

暗能量用来作为尺子会有意外发现

点击下载文档

格式为doc格式