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| 物理宇宙學 |
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觀測表明，宇宙的膨脹正在加速，以至於遙遠星系遠離觀察者的速度隨著時間不斷增加。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]宇宙的加速膨脹是由兩個獨立的項目於1998年發現的，即超新星宇宙學項目和高Z超新星搜索小組，他們使用遙遠的Ia型超新星來測量加速度。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]這個想法是，由於 Ia 型超新星具有幾乎相同的固有亮度（標準蠟燭），並且由於距離較遠的物體顯得更暗，因此可以使用觀測到的這些超新星的亮度來測量到他們的距離。然後可以將該距離與超新星的宇宙學紅移進行比較，後者測量自超新星發生以來宇宙膨脹了多少；哈伯定律規定，物體離得越遠，後退的速度就越快。意想不到的結果是宇宙中的物體正在以加速的速度彼此遠離。當時的宇宙學家預計，由於宇宙中物質的引力作用，衰退速度總是在減慢。這兩個小組的三名成員隨後因其發現而獲得了諾貝爾獎。 [ 7 ]在重子聲振盪和星系團分析中 已經找到了證實的證據。
宇宙的加速膨脹被認為是從大約 50 億年前宇宙進入暗能量主導的時代開始的。 [ 8 ] [註1 ]在廣義相對論 的框架內，加速膨脹可以用宇宙常數 Λ的正值來解釋，相當於存在正真空能量，稱為「暗能量」。雖然還有其他可能的解釋，但在宇宙學標準模型中使用了假設暗能量（正Λ ）的描述，該模型還包括冷暗物質(CDM)，被稱為Lambda-CDM 模型。
背景
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自 1965 年探測到宇宙微波背景（CMB）以來的幾十年裡，[ 9 ]大爆炸模型已成為解釋宇宙演化最受接受的模型。弗里德曼方程式定義了宇宙中的 能量如何驅動其膨脹。
其中κ表示宇宙曲率，a ( t )是尺度因子，ρ是宇宙總能量密度，H是哈伯參數。[ 10 ]
臨界密度定義 為
和密度參數
哈伯參數可以改寫為
其中目前假設的宇宙能量密度的四個貢獻者是曲率、物質、輻射和暗能量。[ 11 ]除了暗能量項之外，每個分量都會隨著宇宙的膨脹而減少（比例因子增加）。物理學家利用這些宇宙學參數的值來確定宇宙的加速度。
加速度方程式描述了比例因子隨時間的演變
物理學家曾經對宇宙膨脹的減速非常確信，因此他們引入了所謂的減速參數 q 0。[ 12 ]最近的觀察顯示此減速度參數為負。
與通貨膨脹的關係
[編輯]根據宇宙膨脹理論，極早期的宇宙經歷了一段非常快速的準指數膨脹時期。雖然這段擴張時期的時間尺度遠短於現有擴張時期，但這是一個加速擴張的時期，與當前時代有一些相似之處。
技術定義
[編輯]「加速膨脹」的定義是宇宙尺度因子的二階時間導數，, 為正值，相當於減速度參數,，為負值。但請注意，這並不意味著哈伯參數隨時間增加。由於哈伯參數定義為，根據定義，哈伯參數的導數由下式給出
所以哈伯參數隨著時間而減小，除非。觀察更喜歡，這意味著是積極的，但是是負數。從本質上講，這意味著任何特定星系的宇宙退化速度都隨著時間的推移而增加，但其速度/距離比仍在減少；因此，在固定半徑的球體上擴展的不同星系稍後穿過球體的速度會更慢。
由上可見，「零加減速度」的情況對應於是一個線性函數,,， 和。
加速的證據
[編輯]宇宙的膨脹率可以透過使用標準蠟燭的天體星等-紅移關係來分析，或使用標準尺來分析天體的距離-紅移關係。另外一個因素是大尺度結構的成長，發現宇宙學參數的觀測值最好透過包含加速膨脹的模型來描述。
超新星觀測
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1998年，第一個加速證據來自對Ia型超新星的觀測，這些超新星是爆炸的白矮星，已經超越了其穩定極限。因為它們都有相似的質量，所以它們的內在光度可以標準化。對天空選定區域的重複成像用於發現超新星，然後後續觀測給出其峰值亮度，該峰值亮度被轉換為稱為光度距離的量（有關詳細信息，請參閱宇宙學中的距離測量）。[ 13 ] 它們的光的光譜線可以用來確定它們的紅移。
對於紅移小於 0.1 左右的超新星，或光傳播時間小於宇宙年齡 10% 的超新星，根據哈伯定律，這給出了近乎線性的距離-紅移關係。在較大距離處，由於宇宙的膨脹率隨時間變化，距離-紅移關係偏離線性，而這種偏差取決於膨脹率隨時間變化的情況。完整的計算需要對弗里德曼方程式進行計算機積分，但可以給出簡單的推導如下：紅移z直接給出了超新星爆炸時的 宇宙尺度因子。
因此，測量紅移z = 0.5的超新星意味著宇宙是11+0.5 = 23超新星爆炸時的目前大小。在加速擴張的情況下，是積極的；所以，過去比今天小。因此，與常數不變的非加速宇宙相比，加速宇宙從目前大小的 2/3 膨脹到 1 倍需要更長的時間。和哈伯常數的當前值相同。這導致光傳播時間更長、距離更大、超新星更暗，這與實際觀測結果相符。亞當·里斯 等人。發現「在沒有宇宙學常數的低質量密度Ω M = 0.2宇宙中，高紅移 SNe Ia 的距離平均比預期遠 10% 到 15% 」。 [ 14 ]這意味著對於減速宇宙來說，與附近的距離相比，測量到的高紅移距離太大。[ 15 ]
一些研究人員對大多數關於加速的觀點或「宇宙學原理」（宇宙是均勻且各向同性的）假設提出了質疑。[ 16 ]例如，2019 年的一篇論文分析了Ia 型超新星的聯合光曲線分析目錄，其中包含的超新星數量是1998 年分析中使用的超新星的十倍，並得出結論，幾乎沒有證據表明存在“單極子”，即是，對於所有方向上的各向同性加速度。[ 17 ] [ 18 ]另請參閱下面有關替代理論的部分。
重子聲振盪
[編輯]在重組和解耦發生之前的早期宇宙中，光子和物質存在於原始等離子體中。光子重子等離子體中密度較高的點會收縮，受到重力的壓縮，直到壓力變得太大，它們再次膨脹。[ 12 ]這種收縮和膨脹在等離子體中產生了類似聲波的振動。由於暗物質僅透過重力相互作用，因此它停留在聲波的中心，這是原始超密度的起源。當解耦發生時，即大爆炸後約 380,000 年，[ 19 ]光子從物質中分離出來，並能夠在宇宙中自由流動，形成我們所知的宇宙微波背景。這使得重子物質的殼層與暗物質的密度過高保持固定的半徑，這個距離稱為聲視界。隨著時間的流逝和宇宙的膨脹，正是在物質密度的不均勻性處，星系開始形成。因此，透過觀察不同紅移的星系傾向於聚集的距離，可以確定標準角直徑距離，並將其與不同宇宙學模型預測的距離進行比較。
在100 h −1 Mpc處的相關函數（兩個星系相距一定距離的機率）中發現了峰值，[ 11 ]（其中h是無量綱哈伯常數），表明這是聲視界的大小今天，透過將其與解耦時的聲視界（使用宇宙微波背景）進行比較，我們可以確認宇宙的加速膨脹。[ 20 ]
星系團
[編輯]測量星系團的質量函數，描述了高於閾值質量的星系團的數量密度，也為暗能量提供了證據[需要進一步解釋]。[ 21 ]透過將這些高紅移和低紅移的質量函數與不同宇宙學模型預測的質量函數進行比較，獲得了w和Ω m的值，這證實了低物質密度和非零暗能量。[ 15 ]
宇宙年齡
[編輯]給定具有特定宇宙學密度參數值的宇宙學模型，可以對弗里德曼方程式進行積分並推導出宇宙的年齡。
透過將其與宇宙學參數的實際測量值進行比較，我們可以確認現在正在加速、過去膨脹較慢的模型的有效性。[ 15 ]
重力波作為標準警報器
[編輯]最近透過LIGO和VIRGO發現的引力波[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]不僅證實了愛因斯坦的預測，也開啟了了解宇宙的新視窗。這些重力波可以作為標準警報器來測量宇宙的膨脹率。艾伯特等人。 2017 年測量的哈伯常數值約為每秒每兆秒差距 70 公里。[ 22 ]應變「h」的振幅取決於造成波的物體的質量、距觀測點的距離、重力波偵測頻率。相關的距離測量取決於宇宙學參數，例如附近天體的哈伯常數[ 22 ]，並且取決於其他宇宙學參數，例如遙遠源的暗能量密度、物質密度等。[ 25 ] [ 24 ]
解釋模型
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暗能量
[編輯]暗能量最重要的特性是它具有在空間中分佈相對均勻的負壓（排斥作用）。
其中c是光速，ρ是能量密度。不同的暗能量理論提出了不同的w值，其中w < − 13對於宇宙加速（這會導致上面的加速方程式中的ä為正值）。
對暗能量最簡單的解釋是，它是宇宙常數或真空能量；在這種情況下w = −1。這就產生了Lambda-CDM 模型，從 2003 年至今，該模型通常被稱為宇宙學標準模型，因為它是最簡單的模型，與最近的各種觀測結果非常吻合。里斯等人。發現他們的超新星觀測結果有利於具有正宇宙學常數（Ω λ > 0）和加速膨脹（q 0 < 0）的膨脹模型。[ 14 ]
幻影能量
[編輯]這些觀測結果使得包含狀態方程式w < -1 的暗能量成分的宇宙學模型成為可能。這種幻影能量密度會在有限的時間內變得無限大，產生巨大的引力斥力，導致宇宙失去所有結構，最終陷入大撕裂。[ 26 ]例如，對於w = − 32且H 0 =70 km·s −1 ·Mpc −1，距離宇宙在這次大撕裂中結束還剩220億年。 [ 27 ]
另類理論
[編輯]對於加速宇宙有許多替代解釋。一些例子是quintessence，一種提出的具有非恆定狀態方程式的暗能量形式，其密度隨著時間而減少。負質量宇宙學並不假設宇宙的質量密度為正（如超新星觀測中所做的），而是找到負的宇宙學常數。奧卡姆剃刀也顯示這是「更簡約的假設」。[ 28 ] [ 29 ] 暗流體是加速膨脹的另一種解釋，它試圖將暗物質和暗能量統一到一個單一的框架中。[ 30 ]或者，一些作者認為宇宙的加速膨脹可能是由於反物質的排斥引力相互作用[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]或引力定律與廣義相對論的偏差，例如質量引力，這意味著引力子本身俱有品質. [ 34 ]利用重力波事件GW170817對重力速度的測量排除了許多修改後的重力理論作為暗能量的替代解釋。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]另一種類型的模型，即反反應猜想，[ 38 ] [ 39 ]是由宇宙學家 Syksy Räsänen 提出的：[ 40 ]膨脹率不是均勻的，但地球處於膨脹的區域比後台更快。早期宇宙的不均勻性導致了牆壁和氣泡的形成，其中氣泡內部的物質少於平均水平。根據廣義相對論，空間的彎曲度小於牆壁，因此看起來具有更大的體積和更高的膨脹率。在較稠密的區域，膨脹因較高的引力而減慢。因此，較緻密區域的向內塌縮看起來與氣泡的加速膨脹相同，這使我們得出宇宙正在經歷加速膨脹的結論。[ 41 ]好處是它不需要任何新的物理學，例如暗能量。 Räsänen 認為該模型不太可能，但在沒有任何證偽的情況下，它一定仍然是一種可能性。它需要相當大的密度波動（20%）才能工作。[ 40]
最後一種可能性是，暗能量是由測量中的一些偏差引起的錯覺。例如，如果我們位於比平均空間更空的區域，則觀測到的宇宙膨脹率可能會被誤認為是時間或加速度的變化。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]另一種方法使用等效原理的宇宙學擴展來顯示空間如何在我們本地星團周圍的空隙中看起來更快地膨脹。雖然這種效應很弱，但經過數十億年的累積考慮，可能會變得非常顯著，產生宇宙加速的錯覺，讓我們看起來好像生活在哈伯氣泡中。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]還有其他可能性是，宇宙的加速膨脹是由我們與宇宙其他部分的相對運動引起的幻覺，[ 49 ] [ 50 ]或使用的超新星樣本大小不夠大。[ 51 ] [ 52 ]
對宇宙的影響
[編輯]隨著宇宙的膨脹，輻射和普通暗物質的密度比暗能量的密度下降得更快（參見狀態方程式），最終，暗能量占主導地位。具體來說，當宇宙規模增加一倍時，物質的密度減少了8倍，但暗能量的密度幾乎不變（如果暗能量是宇宙學常數，則它恰好是常數）。[ 12 ]
在以暗能量為宇宙學常數的模型中，宇宙將在遙遠的未來隨著時間呈指數級膨脹，越來越接近德西特宇宙。這最終將導致大爆炸的所有證據消失，因為宇宙微波背景紅移到更低的強度和更長的波長。最終，它的頻率將足夠低，以至於被星際介質吸收，從而被銀河系內的任何觀察者屏蔽。當宇宙年齡小於其現有年齡的 50 倍時，就會發生這種情況，隨著遙遠的宇宙變暗，任何生命都會結束。[ 53 ]
具有非零宇宙學常數的不斷膨脹的宇宙的質量密度隨著時間的推移而減少。在這種情況下，我們知道所有物質都會電離並分解成孤立的穩定粒子，例如電子和中微子，所有複雜的結構都會消散。[ 54 ]這被稱為「宇宙熱寂」（或大凍結）。
宇宙最終命運的替代方案包括上面提到的大撕裂、大反彈或大擠壓。
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