最新研究挑战宇宙暗物质存在理论

最新研究挑战宇宙暗物质存在理论宇宙的膨胀速度受到两种相互竞争的力量的影响：一种是减缓膨胀速度的引力，另一种是加速膨胀速度的暗能量。这张图显示了宇宙历史上的膨胀率，较浅的曲线表示膨胀较快，较陡的曲线表示膨胀较慢。大约75亿年前，宇宙开始加速膨胀，膨胀率发生了明显的变化。宇宙学模型普遍认为，宇宙中约27%为暗物质，普通物质不足5%，其余则为暗能量。其中，暗物质指所有似乎与光或电磁场不相互作用的物质，或只能通过引力解释的物质。人们看不到它，也不知道它由什么组成，但它有助于科学家揭示星系、行星和恒星的行为。在最新研究中，加拿大渥太华大学物理学教授拉金德拉·古普塔结合共变耦合常数理论和疲光理论得出结论称，宇宙中可能没有暗物质。其中共变耦合常数理论描述了自然力如何随着时间的推移而减弱；疲光理论则阐释了光经过“长途旅行”会损失能量。古普塔表示，他提出的新理论已经接受了测试，并被证明与一些观测结果相匹配。基于此前关于宇宙年龄为267亿年的研究，古普塔提出宇宙不需要暗物质存在的说法。“在标准宇宙学中，宇宙的加速膨胀被认为是由暗能量引起的，但实际上是由于自然力在膨胀时减弱，而不是暗能量。”古普塔说。“红移”是指光向光谱的红色部分移动。研究人员分析了文献中关于低红移时星系分布和高红移时声学视界的角大小的最新论文中的数据。古普塔说，目前已有几篇论文质疑暗物质的存在。最新论文是第一篇指出宇宙组成不需要暗物质，同时也能与某些宇宙学关键观测结果相吻合的论文。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424253.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424253.htm

宇宙年龄再次受质疑：仅8亿年古老星系却比银河系的恒星数量还要多

宇宙年龄再次受质疑：仅8亿年古老星系却比银河系的恒星数量还要多2024年2月14日发表在自然杂志上的一篇新论文介绍了ZF-UDS-7329星系，这是一个非常古老的星系，从宇宙学红移角度来说，这个星系大约为8亿岁，也就是在宇宙大爆炸后的8亿年内形成。然而该星系包含的恒星数量甚至比银河系还要多，目前银河系的恒星数量大约是在2000亿～4000亿颗之间，不过银河系的年龄已经有136亿岁，也就是从宇宙大爆炸之后的2亿年开始形成，花费了几十亿年吞并附近的星系才有今天的规模。ZF-UDS-7329星系意味着从某种程度上说，在诞生时没有暗物质的帮助就形成了(注：暗物质在大尺度上帮助物质聚集)，这与当前星系形成的标准模型相反。论文合著者、国际射电天文学研究中心天文学副教授克劳迪娅拉戈斯：这些极其巨大的星系出现在宇宙早期，对我们的标准宇宙学模型构成了重大挑战。这是因为巨大的暗物质结构被认为是将早期星系聚集在一起的必要组成部分，但在宇宙早期暗物质还没有时间形成。论文合著者、澳大利亚斯威本理工大学的天文学教授ThemiyaNanayakkara：这突破了我们目前对星系形成和演化的理解极限，现在的关键问题是这些古老星系是如何在宇宙早期形成的如此快，以及当宇宙的其他部分正在推动星系形成的时候，是什么神秘的机制导致突然形成大量的恒星。对研究人员来说，现有理论被质疑或者推翻都不是大问题，毕竟科学的进步就是在前人基础上不断研究，不断发现新证据、不断完成理论亦或者推翻就理论形成新理论。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420847.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420847.htm

“疲惫光线”可能使宇宙比我们想象的要古老两倍

“疲惫光线”可能使宇宙比我们想象的要古老两倍其中一个反常现象就是"不可能的早期星系问题"，JWST发现的小星系被认为是在3亿年前形成的，但看起来却和10亿年前的星系一样成熟。另一个异常现象是HD140283，也被称为"玛土撒拉星"，它可能年轻到120亿年，也可能古老到令人不安的144.6亿年--比宇宙本身还要古老。为了解释这些异常现象，古普塔以一种新的混合形式重新提出了一个有争议的观点--"疲惫光假说"。累光假说是弗里茨-兹威基（FritzZwicky）于1929年提出的，作为宇宙膨胀理论的替代方案。该假说的基本观点是，宇宙膨胀所导致的红移是由于光子在穿越宇宙时与尘埃、气体或能量场相互作用而失去能量的结果。换句话说，宇宙可能是静止的，膨胀只是一种假象。物理学家们很早就指出疲惫光存在许多问题，包括它应该导致恒星和星系模糊不清，而且它无法解释天空亮度随时间的变化、宇宙的不对称性、宇宙的热光谱以及宇宙背景辐射的存在。现在，古普塔将这一想法重新带回了保罗-狄拉克方程，该方程涉及粒子在量子水平上的相互作用，并提出方程中的耦合常数可能会随着时间的推移而改变，这是由于另一个以前未知的常数。这可能会改变红移，并将观测到的宇宙年龄推后到267亿年。这个假设的年龄是否成立还有待观察，这项研究发表在《皇家天文学会月刊》（MonthlyLettersoftheRoyalAstronomicalSociety）上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371289.htm

美研究证实一暗淡星系是宇宙早期典型星系

美研究证实一暗淡星系是宇宙早期典型星系美国一项新研究证实，一个异常暗淡的遥远星系是宇宙中第一批星系的典型代表，正是这类星系的光芒“撕裂”氢原子的迷雾，结束了宇宙幼年的“黑暗时代”。新发现有助于深入理解对宇宙演化至关重要的再电离（Reionization）过程。新华社星期五（6月2日）报道，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校日前发声明称，该校研究员与国际同行合作，利用詹姆斯·韦布空间望远镜详细研究了这个编号为“JD1”星系的光谱，并推算了它的准确年龄、结构特征和重元素丰度等。JD1于2012年首次被发现，位于一个巨大星系团后方，星系团的引力透镜作用将其亮度放大了13倍，使人们得以发现它。这篇发表在英国《自然》杂志的新研究显示，JD1星系的形态复杂，体积和质量都比银河系小得多，其光芒呈现的是宇宙年龄仅4.8亿年时的情景。从实际亮度来看，它正是结束宇宙幼年“黑暗时代”的典型星系。研究员指出，受限于观测技术，此前人们发现的最遥远星系大多比较明亮，且数量稀少，在早期星系中不具备代表性。理论认为，对宇宙再电离作出主要贡献的应该是众多低亮度星系，但它们被中性氢原子包裹，难以观测。宇宙大爆炸之后，随着宇宙膨胀、冷却，质子与电子结合成中性氢，此时第一批恒星和星系尚未诞生，宇宙进入没有光芒的“黑暗时代”。几亿年后，第一批恒星和星系发出的高能紫外线使氢原子发生电离，开启“再电离时代”，宇宙变得越来越透明。

"宇宙学耦合"：新证据表明黑洞是暗能量的来源

"宇宙学耦合"：新证据表明黑洞是暗能量的来源天体物理学家邓肯·法拉和凯文·克罗克领导了这项雄心勃勃的研究，将夏威夷在星系演化和引力理论方面的专业知识与九个国家的研究人员的观察和分析经验相结合，首次对真正的黑洞内部可能存在的东西提出了见解。"当LIGO在2015年底听到第一对黑洞合并时，一切都改变了，"克罗克说。"该信号与纸面上的预测非常吻合，但是将这些预测扩展到数百万年，或者数十亿年？将黑洞的那个模型与我们不断膨胀的宇宙相匹配？当时根本不清楚如何做到这一点。"该团队最近发表了两篇论文，一篇发表在《天体物理学杂志》上，另一篇发表在《天体物理学杂志通讯》上，研究了位于古老和休眠星系中心的超大质量黑洞。研究人员研究了像Messier59这样的椭圆星系，以确定其中心黑洞的质量是否在过去90亿年里发生了变化。光线的平滑分布是数十亿的恒星。资料来源：ESA/Hubble&NASA,P.Cote第一篇论文发现这些黑洞在数十亿年中获得了质量，其方式不容易被标准的星系和黑洞过程所解释，如合并或气体的吸积。第二篇论文发现这些黑洞的质量增长与黑洞的预测相吻合，这些黑洞还包围着真空能量--这是由于在不破坏爱因斯坦方程的情况下尽可能地挤压物质，从而避免了奇点的产生。在不存在奇点的情况下，该论文随后表明，在宇宙第一批恒星死亡时产生的黑洞的综合真空能量与我们宇宙中的暗能量的测量数量一致。"我们同时在说两件事：有证据表明，典型的黑洞解决方案在很长很长的时间尺度上对你不起作用，而且我们有第一个被提议的暗能量的天体物理来源，"两篇论文的主要作者法拉说。"不过，这意味着并不是说其他人没有提出暗能量的来源，但这是第一篇观测论文，我们没有给宇宙添加任何新的东西作为暗能量的来源：爱因斯坦引力理论中的黑洞就是暗能量。"这些新的测量结果，如果得到进一步证据的支持，将重新定义我们对黑洞是什么的理解。在第一项研究中，该团队确定了如何利用现有的黑洞测量来搜索宇宙学耦合。考德威尔53号（NGC3115）最引人注目的是在其中心可以发现的超大质量黑洞。资料来源：美国宇航局、欧空局和J-埃尔文（阿拉巴马大学）。黑洞也很难在很长的时间尺度上进行观测。观察可以在几秒钟内进行，或者最多几十年--没有足够的时间来检测黑洞在宇宙的整个生命周期中可能发生的变化。要看到黑洞在几十亿年的范围内如何变化是一项更大的任务。因为星系的寿命可能长达数十亿年，而且大多数星系都包含一个超大质量黑洞，研究小组意识到星系是关键，但选择正确的星系类型至关重要。研究报告的共同作者、西北研究协会的星系专家萨拉-佩蒂（SaraPetty）说："在文献中测得的星系中的黑洞有许多不同的行为，而且实际上没有任何共识。我们决定，通过只关注被动进化的椭圆星系中的黑洞，我们可以帮助理清这件事。"椭圆星系是巨大的，而且形成得很早。它们是星系组装的化石。天文学家认为它们是星系碰撞的最终结果，体积巨大，有多达数万亿颗旧星。通过比较5个不同的古代椭圆星系的黑洞质量和今天椭圆星系中的黑洞来测量耦合强度k。测量结果聚集在k=3左右，意味着黑洞含有真空能量，而不是一个奇点。资料来源：法拉等人，2023年[《ApJ》杂志]通过只观察最近没有活动的椭圆星系，研究小组可以认为，这些星系的黑洞质量的任何变化都不可能轻易地由其他已知过程引起。利用这些种群，研究小组随后检查了它们中心黑洞的质量在过去90亿年中是如何变化的。如果黑洞的质量增长只通过吸积或合并发生，那么这些黑洞的质量预计根本不会有太大变化。然而，如果黑洞通过与膨胀的宇宙耦合而获得质量，那么这些被动演化的椭圆星系可能会显示出这种现象。研究人员发现，他们看的时间越靠前，黑洞的质量就越小，相对于它们今天的质量。这些变化是很大的。今天的黑洞比90亿年前的黑洞大7到20倍，大到研究人员怀疑宇宙学耦合可能是罪魁祸首。在第二项研究中，研究小组调查了在第一项研究中测得的黑洞增长是否可以单独用宇宙学耦合来解释。"你可以把一个耦合的黑洞想象成一个橡皮筋，随着宇宙的扩张而被拉长，随着它的拉伸，它的能量增加。爱因斯坦的E=mc2告诉你，质量和能量是成比例的，所以黑洞的质量也会增加。"质量增加的程度取决于耦合强度，研究人员称这个变量为K。橡皮筋越硬，就越难拉伸，所以拉伸时的能量就越大。简而言之，这就是k，"克罗克说。因为来自宇宙学耦合的黑洞的质量增长取决于宇宙的大小，而宇宙在过去比较小，所以第一项研究中的黑洞必须以正确的数量减少质量，以便宇宙学耦合的解释能够发挥作用。研究小组在三个不同的椭圆星系集合中检查了五个不同的黑洞群，这些黑洞取自宇宙大约是现在大小的二分之一和三分之一的时候。在每一次比较中，他们都测量到K值几乎为正3。2019年，这个数值被当时还是研究生的克罗克和马诺阿大学的数学教授乔尔-韦纳预测为含有真空能量的黑洞，而不是奇点。这个结论是深刻的，克罗克和韦纳已经证明，如果k是3，那么宇宙中的所有黑洞共同贡献了一个几乎恒定的暗能量密度，就像暗能量的测量结果表明的那样。黑洞来自死亡的大型恒星，所以如果知道正在制造多少大型恒星，就可以估计你正在制造多少黑洞，以及它们作为宇宙学耦合的结果增长多少。研究小组使用了詹姆斯-韦伯太空望远镜提供的关于最早的恒星形成速度的最新测量结果，发现这些数字是一致的。据研究人员称，他们的研究为理论物理学家和天文学家提供了一个框架，以进一步测试，并为当前的暗能量实验，如暗能量光谱仪和暗能量调查，提供了一个框架，以阐明这一想法。"如果得到证实，这将是一个了不起的结果，为下一代的黑洞解决方案指明了方向，"法拉说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344675.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344675.htm

宇宙膨胀速度还在加快 科学家正寻求新的解释

宇宙膨胀速度还在加快科学家正寻求新的解释天文学家发现，宇宙膨胀正在加速，很可能是由于暗能量的作用，正如LambdaCDM模型所描述的那样。然而，膨胀率测量结果（即哈勃张力）的不一致性正促使人们研究新理论和修改现有模型。对天文学家来说，星系发出的光波长越长，星系远离我们的速度就越快。星系离我们越远，它的光线就越偏向光谱红色一侧的长波长--因此"红移"就越大。宇宙中的时间和距离因为光速是有限的、快速的，但并不是无限快的，所以看到远处的东西意味着我们看到的是它过去的样子。对于遥远的高红移星系，我们看到的是宇宙年轻时的样子。因此，"高红移"对应的是宇宙的早期，而"低红移"对应的是宇宙的晚期。詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）的深场图像显示了宇宙中闪闪发光的星系。这是迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。这张星系团SMACS0723的图像被称为"韦伯第一深场"，细节丰富。图片来源：NASA、ESA、CSA和STScI但随着天文学家对这些距离的研究，他们了解到宇宙不仅在膨胀，其膨胀速度还在加快。这种膨胀速度甚至比主要理论预测的还要快，这让像我这样的宇宙学家感到困惑，并在寻找新的解释。加速膨胀与暗能量科学家把这种加速的源头称为暗能量。我们还不太清楚是什么驱动了暗能量，也不知道它是如何工作的，但我们认为它的行为可以用宇宙学常数来解释。阿尔伯特-爱因斯坦最初提出了这个常数--他在广义相对论中用lambda标记了它。有了宇宙常数，随着宇宙的膨胀，宇宙常数的能量密度保持不变。想象一个装满粒子的盒子。如果盒子的体积增大，粒子的密度就会减小，因为它们会分散开来占据盒子里的所有空间。现在想象同一个盒子，但随着体积的增大，粒子的密度保持不变。这似乎并不直观，对吗？宇宙常数的能量密度并没有随着宇宙的膨胀而减少，这当然非常奇怪，但这一特性有助于解释加速膨胀的宇宙。LambdaCDM：宇宙学标准模型目前，宇宙学的主要理论或标准模型被称为"LambdaCDM"。Lambda表示描述暗能量的宇宙常数，CDM代表冷暗物质。这个模型既描述了宇宙晚期的加速度，也描述了宇宙早期的膨胀率。具体来说，LambdaCDM可以解释宇宙微波背景的观测结果，即宇宙大爆炸后大约30万年时宇宙处于"高温、高密度状态"时的微波辐射余辉。利用普朗克卫星测量宇宙微波背景的观测结果，促使科学家们创建了LambdaCDM模型。将LambdaCDM模型与宇宙微波背景拟合，物理学家就可以预测哈勃常数的值，哈勃常数实际上并不是一个常数，而是描述宇宙当前膨胀速度的一个测量值。但是，LambdaCDM模型并不完美。科学家们通过测量星系距离计算出的膨胀率，与LambdaCDM利用宇宙微波背景观测数据描述的膨胀率并不一致。天体物理学家将这种分歧称为哈勃张力。宇宙膨胀的速度比流行的宇宙学模型预测的要快。资料来源：NASA/WMAP科学小组哈勃张力在过去的几年里，科学家一直在研究如何解释哈勃张力。这种张力可能表明LambdaCDM模型不完整，物理学家应该修改他们的模型，也可能表明研究人员是时候对宇宙的运行方式提出新的想法了。对于物理学家来说，新想法总是最令人兴奋的。解释哈勃张力的一种方法是修改LambdaCDM模型，改变宇宙晚期低红移时的膨胀率。像这样修改模型可以帮助物理学家预测可能是哪种物理现象导致了哈勃张力。例如，也许暗能量并不是宇宙常数，而是引力以新的方式发挥作用的结果。如果是这样的话，暗能量就会随着宇宙的膨胀而演化--而宇宙微波背景显示的是宇宙诞生几年后的样子，它对哈勃常数的预测就会有所不同。但是，团队的最新研究发现，物理学家无法仅仅通过改变宇宙晚期的膨胀率来解释哈勃张力--这一类的解决方案都不成立。探索新模型为了研究哪些类型的解决方案可以解释哈勃张力，加州大学开发了统计工具，使我们能够测试改变晚期宇宙膨胀率的整类模型的可行性。这些统计工具非常灵活，可以用它们来匹配或模仿不同的模型，这些模型有可能符合宇宙膨胀率的观测结果，也有可能为哈勃张力提供一种解决方案。测试的模型包括不断演化的暗能量模型，即暗能量在宇宙中不同时期的作用不同，科学家们还测试了暗能量-暗物质相互作用模型（暗能量与暗物质相互作用）和修正引力模型（引力在宇宙中不同时期的作用不同）。但这些模型都无法完全解释哈勃张力。这些结果表明，物理学家应该研究早期宇宙，以了解张力的来源。作者：RyanKeeley，加州大学默塞德分校物理学博士后...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397839.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397839.htm