暗能量几乎占宇宙总物质能量的四分之三,但它的奥秘仍有待科学家们去探索——

宇宙中被称为“暗能量”的一种神秘力量,发现已近10年了。在这期间,它就像一棵卧倒在地面的红杉树,横挡在科学家前进的道路上,使他们无法到达物理学中的那片神圣领地——关于物质及其基本作用力的根本理论。

引力将星系束缚在一起,聚集成巨大的星系团;跟引力不同,暗能量却将星系分离开来。大约137亿年前,宇宙学家所谓的“大爆炸”使宇宙得以诞生,自那以后的几十亿年中,引力起到了一种刹车的作用,一直在减缓宇宙膨胀的速度。然而现在暗能量似乎占据了上风,正在使宇宙加速膨胀。

暗物质和暗能量之间展开的“宇宙拔河赛”示意图:暗物质产生引力,暗能量产生斥力;随着时间的推移,暗能量的作用将超越暗物质,整个宇宙的表现为加速膨胀

至于暗能量为什么存在,到目前为止还没有人能提出得到广泛认可的理由,也没有人解释为什么暗能量会起到排斥作用。然而,宇宙学家却计算出暗能量占宇宙物质与能量总和的74%。

帕萨迪那加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说:“宇宙给我们提供了值得注意的线索,然后却又把道路堵上了。宇宙这样戏弄我们是不公平的。为了把这一引人注目的情况搞得更明白些,我们需要得到更多的信息。”

最近,美国国家研究委员会(NRC)一小组对这一要求作出了响应,建议由美国航空航天局(NASA)和能源部来承担探测暗能量的任务。他们查阅了NASA可能实施的一系列以“超越爱因斯坦”命名的太空计划后得出结论:要想对暗能量进行探索,需要提出关键性的科学问题、可利用的技术和合理的费用这三者的合理配置。

这是“哈勃”太空望远镜拍下的、由48张图像拼成的船底座星云全景图,显示了喧嚣的星云中心聚集着成千上万颗新形成的恒星

如果NASA能够根据NRC的建议去进行的话,肯定会有其他的研究人员加盟,他们会利用地面望远镜去搜寻缺失的但有助于揭示暗能量之谜的零散资料。暗能量是在1998年由两个独立工作的小组发现的。他们发现,假设宇宙中所包含的物质与能量的密度是一定的,那么宇宙正在快速地膨胀。

在接下来的约半年时间内他们企图找到这个问题的答案。研究小组成员之一、约翰·霍普金斯大学的天文学家亚当·里斯(Adam Riess)说:“情况真是这样的吗?”观察的结果促使他们意识到宇宙全部物质与能量中的绝大部分竟然是这种令人迷惑不解的暗能量!

里斯博士接着说,自那时以后,研究人员一直在利用各种方法来验证这一发现,并且在很大的范围内,想方设法去确定宇宙史上的一个时间点,即从何时起引力开始屈服于暗能量的。

例如,4年前科学家通过威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)来研究宇宙大爆炸时留下的微波,这对验证该发现是一个极大的推进。WMAP测量出了背景辐射中的热区和冷区,包括宇宙诞生后30万年时的情景(热区和冷区分别对应着太空中不同的物质密度)。那时的宇宙格局与天文学家现在所观察到的宇宙大尺度结构相匹配。WMAP同时也证实了暗能量占宇宙总物质能量密度的74%。

在另外一个方案中,科学家利用不同距离上的爆炸星体——超新星的光线作为宇宙膨胀的测速仪,以跟踪宇宙在不同时间点的膨胀速度。一种特殊的超新星——1A型超新星可以提供这样的信息,它的时亮时暗模式就如同一枚指纹,使科学家能够识别其详情。这种模式还可以使科学家了解超新星的固有亮度。

从超新星的固有亮度与从地球上看到的亮度(减弱后)对比,研究人员可以估算出地球到超新星的距离。然后借助超新星光线颜色的变化来测算宇宙的膨胀速度:光线越红,超新星飞离的速度就越快,(在那个距离上)宇宙的膨胀速度也就越快。

3年前,里斯及其同事利用“哈勃”太空望远镜发现了16颗超新星,包括其中发现的最遥远的6颗超新星。他们将这些超新星添加到170颗先前分析过的超新星中,然后开始寻找减速和加速的趋势。他们发现,在最初的77亿～87亿年中,宇宙是膨胀的,可是速度很缓慢,正如占统治地位的宇宙诞生和演化理论所预测的那样。

在那之后宇宙的膨胀速度开始加快。因此,如果在暗能量的影响下,宇宙膨胀的加速率保持不变,那么任何超出100亿光年以外的东西都犹如电影《原野奇侠》中的谢恩,踏着夕阳归去,再也不可能见到了。这是因为超越那个距离的太空区域的膨胀速度比光速还快。如果随着时间的推移,暗能量的作用最终会产生威力巨大的“裂缝”,把大到星系、小到原子的一切东西全都撕裂开来。

然而在现实世界中,天文学家对暗能量提出的挑战还是感到满高兴的。

里斯说:“大约10年过去了,显然暗能量并没有远离我们??在过去的10年里,也证实了暗能量处于物理学中两个最著名理论——量子力学和广义相对论的交叉之中。”

自然界中有四种基本作用力,即引力、电磁力和在亚原子尺度下的弱作用力和强作用力。在宇宙大爆炸最初的瞬间,由单一的作用力控制着宇宙,而自然界的四种基本作用力就是宇宙之初那种单一作用力的不同体现。然而,要证实这一点,量子理论和引力是否能够成功地结合,这成为该研究的最后一道障碍。里斯指出:“至于量子引力是如何形成的,由于暗能量的存在,算是大自然给我们提供的一个暗示。”

显然,还需要进行更多地观察。而NRC推荐的3类候选计划,都涉及太空望远镜计划,并由此转变过来的。

例如,一个由劳伦斯·伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)领导的研究组提议,建造一个每年可观察2000颗超新星的轨道天文台。鉴于暗能量的影响随时间推移而变化的情况,目前的研究处于一种时搞时停的无序状态,该研究组希望通过重建以扭转这种状态,以帮助确定暗能量影响的持久性。

爱因斯坦曾描述的另一种现象是:当光线在巨大质量的天体(如恒星群或星系团)旁经过时,引力可使其发生折射。为此,该研究组将利用这一现象来分析物质的分布是如何随着时间的推移而变化的。“这使你了解到长期以来暗能量与引力之间所形成的抗争,”珀尔马特博士说。

最后,珀尔马特指出:如果超新星和光线折射能反映出关于宇宙膨胀史的相同的情况,那么你所观察到的就是暗能量了;如果不能反映出相同的情况,那么你所观察到的就是爱因斯坦引力理论的某种修饰。