暗能量宇宙学简介-1pdfnet.DOCVIP

暗能量宇宙學簡介 李沃龍 中央研究院物理研究所 e-mail: leewl@.tw 摘要 近年來許多對超新星、宇宙微波背景輻射、和宇宙大尺度結構等的天文觀測結果均指出宇宙正在加速膨脹，而非原先傳統理論所預期的減速膨脹。此一結論違反了我們對重力的基本觀念（重力使得任兩物體永遠互相吸引），也顯示了宇宙中必定存在著一種具斥力性質的「暗能量」，其本質與行為決定了我們宇宙的命運。 暗能量（dark energy）佔據了現今宇宙總能量密度的三分之二，對決定宇宙未來的命運，扮演了舉足輕重的角色，因此它可說是目前宇宙學（cosmology）上最重要的研究課題。另一方面，由於此一具斥力之新型態「能量」可能和量子理論的發散(divergences)以及超對稱破壞（supersymmetry breaking）機制有關，它也成了粒子物理研究的重要對象。在一份即將由美國國家科學院國家研究評議會出版的報告【1】就把暗能量列為本世紀連結微觀夸克世界和宏觀宇宙的關鍵問題之一。 那麼究竟什麼是「暗能量」【2】呢？現代宇宙學利用宇宙尺度因子（the cosmic scale factor）描述宇宙的膨脹。依照愛因斯坦的廣義相對論，宇宙的膨脹和宇宙成分的能量密度與壓力有如下之關係（物理量y的時間導數以表示）： （1） 其中，G是牛頓的萬有引力常數。所以「暗能量」必須具備足夠大的「負壓力」方能驅使宇宙加速膨脹。此外，由於在星系及星系團（cluster of galaxy）的範圍內無法偵測到此神秘成分的蹤影，暗能量必定相當平滑地（smoothly）分布在宇宙中。 因此，暗能量（以下我們用”X”代表此神秘的成分）應當具有下列特性：（a）暗能量不發射也不吸收光子；（b）它具有相當大的負壓力，；（c）它是幾近均勻的（homogeneous），至少在星系團的尺度範圍內都不會積聚形成可觀測、可辨識的結構。由於此神秘成分的壓力大小與其能量密度相當，而一般物質的壓力為零，因此它比較類似於「能量」而非一般的「物質」。所以「暗能量」不等同於「暗物質」（dark matter），它自成一格，也不是暗物質的替代品。 宇宙加速膨脹的觀測證據 目前關於宇宙正加速膨脹的現象有兩項觀測上的證據。第一項「直接證據」是基於對遙遠的Ia 型超新星觀測資料【3】推論得出的：在1998年，美國勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）進行的「超新星宇宙學計劃」（Supernova Cosmology Project）與澳大利亞 Mount Stromlo 天文台的「高紅移超新星搜尋團隊」（High-Z Supernova Search Team）利用不同的分析技術和不同的高紅移超新星觀測樣本，卻都獲得「宇宙正在加速膨脹而非減速」的結論。 最近在紅移 處所觀測到編號為SN1997ff的Ia 型超新星更進一步地支持宇宙正加速膨脹的現象【4】。基本上，天體的紅移大小除了代表該天體與觀測者之間的相對距離比率外，也隱含了宇宙尺度改變的訊息。在宇宙學中一般以足標「0」來表示某一物理量現今的值，而紅移的定義為 。因為 ，位在紅移為 z 處遙遠天體的光是在宇宙只有現在大小的 時所發射出來的。若宇宙的膨脹速率在過去的某一時刻比現在來得小，則遙遠天體的光度必相對地比假設宇宙一直處於加速狀態的情況來得亮些。SN1997ff正提供了這樣的例證，其光譜資料中的星等－紅移關係圖顯示此超新星比傳統上加速開放之宇宙模型（the open universe）裏的高紅移 Ia 型超新星都來得亮，寓意宇宙在其現存生命的大部分過往歲月裏處於減速膨脹的狀態。 另一關於宇宙現正加速膨脹的推論證據來自對宇宙成分能量密度的測量。宇宙微波背景不均向性（CMB anisotropy）的觀測指出當今宇宙之總密度參數（）為Ω0 = 1.0 ±0.04，是一平坦的（flat）宇宙，而其中物質密度與能量密度之和必須等於臨界密度。然而幾乎所有關於宇宙大尺度結構的天文觀測，例如微波背景的不均向性、星系團裏的重子比率等，都一致顯示宇宙中的物質密度只佔臨界密度的三分之一左右，即 ΩM = 0.33 ±0.04。因而可知約有三分之二的臨界密度不見了，此一消失的能量密度恰巧為 ΩX = 0.67 ±0.06【5】。 我們知道平坦宇宙的 Friedmann equation 規範了描述宇宙膨脹的哈伯參數（Hubble parameter ）及宇宙成分密度之關係：。另由各成分之能量守恆 可知 （2） 其中 代表了各不同成分的物態方程（equation of state ）。此式告訴我們現今宇宙中的輻射密度（）應當遠小於一般的物質密度（）。如此一來，宇宙的減速參數