寻找暗能量存在的证据

Mr.Flower

天文学家认为，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能严格说其是一种斥力，只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀，产生的能量把物质往外排斥，暗能量斥力作用的发现，使学者们认识到，宇宙不光是在膨胀，而且还是在加速膨胀。

暗能量在宇宙中更像是一种背景，让人根本感觉不到它的存在，但它确实存在，且起着非同一般的作用。有人把暗能量称为“真空能”。20世纪20、30年代，就有科学家认为真空不空，只是物理的探测仪器探测不到“真空”中并非真的什么都没有。

爱因斯坦的“宇宙常数”

对暗能量理论上的猜测可追溯到爱因斯坦年代，1915年爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出了广义相对论，这是自牛顿时代以来第一次出现的重力理论。1917年，他将广义相对论公式应用到整个宇宙，想看看能否获得对宇宙本质的新认识。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程，方程有两种解，结论是宇宙不会完全静止、宇宙没有静止点。

方程的第一种解是，如果宇宙只存在引力，没有别的力作用的话，出于相互吸引，宇宙不可能静止；方程的另一种解是，宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度，向外膨胀，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越胀越慢，所以宇宙不是膨胀就是收缩，不可能静止。

爱因斯坦觉得从哲学思想上分析，这两种解都不合适，按他的想法宇宙应该是静止的，不能永不停息地运动。因此，爱因斯坦又向广义相对论引力方程中引入了一项“宇宙常数”（Cosmological Constant λ）。这个宇宙常数起排斥力的作用，有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来。

20世纪20年代，美国著名天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-

1953）经过观测发现，宇宙确实是在不断膨胀，他根据星系的距离和运行速度证实，离我们越远的星系向外运动的速度越快，这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合，迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来，但实际的宇宙是在膨胀着。他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”

但爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未被科学家们遗弃，一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候，常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0，就证明该数确实不能用；反之，就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。

观测超新星1997ff的重大发现

1997年哈勃太空望远镜拍摄到一颗超新星，编号为“1997ff ”。美国马里兰州太空望远镜研究所和劳伦斯伯克利国家实验室的天文学家通过对该超新星光线的相对强度进行的研究表明，“1997ff ”爆发于110亿年前，是迄今发现的最遥远的超新星，当时宇宙的年纪只有现在的四分之一，宇宙的膨胀很可能经历了一个先减速、后加速的过程。科学家为爱因斯坦的“暗能量”理论找到了第一个直接证据。

超新星即爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。测定超新星的亮度，可以用来判断宇宙膨胀的速率。在宇宙减速膨胀中诞生的星体，其发出的光到达地球时，该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近，因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮。

经过大量的计算和分析，科学家们确认“1997ff”的亮度是预计正常亮度的两倍，比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此判定，这颗超新星爆发于宇宙的减速膨胀阶段。

科学家们指出，新发现和此前的观测结论相结合，证实了宇宙膨胀先减速后加速，同时也证明宇宙中确实存在“暗能量”。“暗能量”据认为是更接近能量，而非物质。科学家认为，与暗物质一样，“暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。科学家估计“暗能量”可能占据了宇宙成分的三分之二，对它的了解对于理解时间、空间、物质和能量具有关键作用。

1998年，天文学家们在南极用80

万立米气球搭载BOOMERANG（Balloon

Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics）微波探测器（气球从1998年12月29日到1999年1月9日从37千米的高空飞越南极），BOOMERANG在空中控测了宇宙微波背景（CMB）下扰动的大量样本，其中，CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。他们探测的只是全天中的一小块，得出的结论是：“宇宙常数”不等于0，且在整个宇宙中所占比例还很大。此后，“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。

借助WMAP发现最有利证据

2003年7月23日，美国匹兹堡大学斯克兰顿（Scranton）博士领导的一个多国科学家小组宣布，他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）的观测数据（观测宇宙微波背景辐射的微小变化），发现了暗能量存在的直接证据。作为“大爆炸”的“余烬”，宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生，其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程，特别是在经过质量较大的星系时，这些光子将遭遇“引力陷阱”。探测结果显示，宇宙年龄约为137亿年，宇宙由23%的暗物质，73%的暗能量，4%的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在着，但还不清楚它们的性质。

斯克兰顿等人介绍说，如果星系主要由普通物质组成，那么光子在落入“引力陷阱”以及从中逃逸出来的过程中，由于“陷阱”深度固定，其能量总体上将不会变化。但是，如果星系中包含暗能量，情况就会不同。由于暗能量的排斥力作用，光子在落入“引力陷阱”并逃出来的过程中，“陷阱”会逐渐变浅，能量反而增加。体现在微波背景辐射观测图上，经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。

斯克兰顿博士等将WMAP以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS。测定宇宙中星系的位置和彼此间距离）观测计划的结果进行了对比分析，结果发现，经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。科学家认为，这一结果只有用暗能量才能予以解释。（来源：中国科学院网络化科学传播平台科普网站，2010-12-16）endprint