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科学探索

2022/05/23 07:00

#留给宇宙膨胀的时间或只剩最后1亿年# 按照标准宇宙学的结论，我们的宇宙已经存在了约137亿年，在这漫长的岁月中，宇宙由最开始的一个无穷小的奇点，逐渐膨胀到今天无比浩大的尺度。今天的宇宙仍在继续膨胀，甚至还是加速膨胀，这让物理学家不得不引入暗能量解释这种异常的加速。对于暗能量的性质，我们知之甚少。而最近发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的一项研究显示，暗能量的一种可能状态可能会让宇宙在不久后停止膨胀，并慢慢开始收缩。而这个可能的时间结点离我们其实没有想象中的那么远——6500万年后宇宙的膨胀将不再加速，而1亿年后宇宙的膨胀将彻底停止，并开始缓慢收缩。

1998年，保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）等三位物理学家发表一篇论文，提出了暗能量是一种“精质”（quintessence）的假说。这样的暗能量不再像宇宙学常数描述的那样，能量密度固定不变，而是一种可以随时间变化的标量场。这个标量场表现出吸引还是排斥，取决于其动能与势能的比例。研究人员认为，这个标量场在宇宙诞生约35亿年后变得具有排斥性，但那时对宇宙膨胀起主导作用的还是物质的能量密度，因而膨胀速度逐渐减小。直到宇宙诞生约98亿年后，物质的能量密度随着宇宙变大而降低，暗能量才起了主导作用，使得宇宙加速膨胀。但如果暗能量真是一个会随时间变化的标量场，它的成分变化有可能导致排斥性逐渐消失。最近发表在PNAS的一篇论文中，斯坦哈特和两位同事安娜·伊尧什（Anna Ijjas）以及科斯敏·安德烈（Cosmin Andrei）建立了一个包含“精质”暗能量的宇宙模型，他们调整了模型的参数，以符合已知的宇宙膨胀历史。之后，研究人员用这个模型模拟了未来这样的暗能量会发生什么变化。他们发现，暗能量的能量密度会随时间减小，最终表现得类似普通物质。这个转变在6500万年内就能实现，导致那时宇宙的膨胀不再加速。而距今1亿年后，暗能量就会变得有吸引力，导致宇宙开始收缩。

尽管按照这个模型的预测，宇宙开始收缩的时间并不遥远，但研究人员表示，刚开始宇宙收缩的速度非常缓慢，可能需要再经过几十亿年，宇宙才能达到今天的一半大小。但另一方面，我们对宇宙膨胀的所有观测都来自数百万到数十亿光年的天体，它们能告诉我们的是宇宙过去的信息，而不是宇宙的现在或未来。所以，宇宙也有可能已经开始收缩了，而地球上的我们要在很久之后才能意识到这一点。不过，我们目前还没有办法来确定暗能量是否确实是一种“精质”，或者宇宙的膨胀是否已经开始放缓。斯坦哈特等人的工作，只是建立在一种特殊的暗能量模型上。这种对暗能量的认识是否正确？或许要等未来的观测告诉我们答案。（环球科学）http://t.cn/A6Xob3kd

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