"韋伯新發現與「宇宙學危機」

如果你到早期宇宙 就在大爆炸後 它在膨脹 速度遠遠快於光速 就像哥白尼的日新模型 刷新了我們對宇宙的認知 我們可能正站在又一次刷新 我們對宇宙理解的門檻上 宇宙學領域內一場激烈的辯論 正如火如荼地進行着 被稱爲宇宙學危機 著名天文學家尼爾德格拉斯泰森最近表示 詹姆斯韋伯的發現 或許能爲這場辯論帶來決定性的句號 那麼，這場危機究竟是什麼？ 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡又有何貢獻？ 對於老一輩來說 很難稱其爲危機 它是一個危機 但對於老一代來說，真的很困難 其中我們不知道 宇宙的年齡或大小 因爲它們相關 在兩倍之內 讓我們一起踏入科學的前沿 探索那些不斷受到質疑的知識邊界 以及那些意想不到的發現 想象一下，過去 100年來 天文學家們就像偵探一樣 一點一點探索宇宙的歷史和現狀 他們用一個叫標準模型的大框架 來解釋這一切 主要靠廣義相對論這把鑰匙 這個模型不僅告訴我們 宇宙是怎麼一步步膨脹起來的 還揭示了那些巨大宇宙結構是怎麼形成的 聽起來像是科幻故事，對吧？ 但這裏面的主角有暗能量、暗物質， 還有我們熟悉的普通物質 還有中微子和光子 說起來，宇宙的故事可是從大約 138億年前的一個超大爆炸開始的 之後發生的一系列事件 就像是宇宙版的“家族史“ 但現在，意外的事情發生了 原來我們一直信賴的這個模型 現在竟然開始有點不對勁了 儘管這個模型 幫我們理解了很多關於宇宙的事情 得到了很多觀測數據的支持 但現在看來它可能還不是完美的 每次有新的觀測結果出來 科學家們都得拿這個模型來對照一下 檢查它管用還是不管用 說到新的觀測工具 天文學家們現在手裏有了個新寶貝： 韋伯太空望遠鏡 這個望遠鏡就像是給我們的宇宙理論 來了個大考驗 讓我們重新思考一切 它能帶我們到最初的宇宙 那個還沒恆星和星系的時代 那時候，宇宙還在大爆炸後的38萬年左右 中性原子剛形成 然後在5.5億年後，宇宙重新電離了 這個過程是宇宙電離的主要階段 大概在大爆炸後的2億年左右開始 第一批恆星可能是在0.5到1億年後形成的 現在，韋伯太空望遠鏡 讓天文學家能看到比以前更遠的星系 給我們帶來了對早期宇宙的全新認識 讓我們先來回顧一下我們已經知道的東西 這個被稱爲暴脹熱大爆炸 或Lambda CDM的標準模型 已經幫我們解釋了宇宙的各種特徵 包括星系內部的運動 星系羣和星團的相對運動 還有宇宙微波背景的特徵 這個模型預測,越往過去看 宇宙的距離就越大 我們看到的星系應該更小、更藍， 重元素也更少 而在我們現在的觀測範圍之外 宇宙可能進入了一個沒有恆星 或星系的黑暗時代 但當我們試圖驗證這些解釋的完整性時 科學家們發現了一些相互矛盾的證據 這就導致了當前的宇宙學危機 說到這個宇宙學危機 其實問題挺簡單的 我們還不太確定宇宙究竟有多老 用不同的方法測量，結果都不一樣 這就像是天文學家們的大型作業 他們得找出爲啥會這樣 但他們還在摸索中 讓我們看看他們是怎麼去測量宇宙年齡的 首先大家想到的是宇宙背景輻射 這就像是一把鑰匙 能幫我們解鎖宇宙的奧祕 科學家們爲了弄明白宇宙是怎麼膨脹的 就得用到數學模型 這個模型 基本上就是愛因斯坦的廣義相對論 把這理論用到整個宇宙上 就產生了所謂的弗裏德曼方程 這個方程把宇宙的組成 像是暗物質、暗能量和輻射等 和它們在特定時間的膨脹率聯繫起來 所以通過測量這些東西 我們就能推算出宇宙的年齡 用來幫忙的是宇宙微波背景 這其實是宇宙早期剩下的光 大概在宇宙誕生後的38萬年 這個光成了測量宇宙成分的重要工具 比如，歐洲航天局的普朗克任務 就提供了的超詳細的宇宙微波背景圖 但問題是這些圖裏沒包括暗能量的數據 暗能量是現在宇宙裏的一個大角色 但它對早期宇宙沒什麼影響 所以科學家得根據別的 觀測結果手動把它加進去 即便如此，他們還是能用弗裏德曼方程 算出宇宙在任何時間點的膨脹率 甚至是今天的膨脹率 從而推測出宇宙的年齡 另一個測量宇宙年齡的方法是看爆炸的恆星 雖然宇宙微波背景 給我們提供了宇宙成分的全面記錄 但那畢竟是數十億年前的快照 直接觀察宇宙膨脹率的增長是另一種方法 這要感謝 I 型超新星 簡單說，就是宇宙中的一種壯觀現象 在這種現象中 一顆恆星會把它的大氣層 倒到附近的白矮星上 白矮星就是已經死亡的恆星的殘骸 當白矮星的質量達到一個臨界點時 就會發生超新星爆炸 因爲這種宇宙大戲在整個宇宙中 都以相似的方式上演 科學家們就把超新星當作一種穩定的標準 或者稱爲“標準蠟燭“ 這意味着我們知道它們應該有多亮 通過比較它們實際的亮度 我們就可以估計出超新星發生時 宇宙的膨脹率 這種方法在20世紀90年代末被採用 發現暗能量成爲宇宙學測量的一個關鍵 這對確定哈勃常數特別有幫助 哈勃常數是衡量宇宙膨脹率的一個指標 雖然它並不是一個嚴格的常數 哈勃常數使繪製宇宙膨脹圖表的基礎 想象一下，自從大約138億年前的大爆炸以來 宇宙就一直在不停地膨脹 而且隨着時間的推移 這個膨脹速度還在加快 NASA這邊也發現了一些挺有意思的東西 不只是宇宙在擴張 關鍵是這個擴張的速度怎麼變化 如果膨脹速度變慢了 可能意味着有什麼未知的力量在起作用 可能是暗物質在影響着這個減速過程 但如果膨脹速度加快 那很可能是暗能量在加速這一切 不過呢 2018年1月科學家們發現了點新鮮事 他們用各種望遠鏡觀測發現 宇宙的膨脹速度還不是固定的 看你在哪兒觀測 比如哈勃太空望遠鏡和蓋亞太空望遠鏡發現 我們附近的宇宙 膨脹速度是每百萬秒差距45.6米/每秒 但普朗克望遠鏡看到的是 在更遠的宇宙，膨脹速度稍微慢一點 是每兆秒差距41.6米/每秒 說白了，一個兆秒差距大約是330萬光年 這個距離簡直難以想象 哈勃最初提出的這個膨脹的想法 美國天文學家哈勃主要研究星系 特別是那些離我們很遠的星系 1929年，天文學家哈洛·沙普利 觀察到星系似乎在離我們遠去 哈勃就推斷距離越遠的星系移動得越快 最初天文學家們以爲 這是星系在逐漸遠離我們 但現在知道了 這其實是因爲宇宙在膨脹 不管你在宇宙的哪個角落 你看到的現象都是一樣的 哈勃當年的計算是基於有限的數據 但隨着技術進步 這些數據也在不斷更新 像哈勃望遠鏡和蓋亞望遠鏡這樣的設備 通過觀測來完善這些測量結果 其他望遠鏡則是用於宇宙背景輻射的 讀數來計算這個常數 但這個方法也有侷限 用於遙遠觀測的超新星很少 這限制了我們對原初宇宙的觀察 自從發現暗能量這 20年來 科學家們一直被這個問題困擾着 問題在於 這兩種不同的方法測出來的結果不一樣 這兩種觀點 在宇宙的年齡和膨脹速度方面有分歧 雖然測量技術隨着時間變得越來越精確 但也出現了一些細微的變化 我們發展更先進的技術 是希望一勞永逸地解決這個問題 但諷刺的是 這些進步反而帶來了更多的問題 不過，這些變化跟估計值相比 差別其實只有大約1千萬到2千萬年 當你想到宇宙已經有137.7億年那麼久時 這個數字雖然很小，但還是很值得研究的 那我們怎麼解釋這個差異呢？ 有個想法是 可能我們對宇宙背景輻射的測量有點問題 但普朗克望遠鏡對這個的測量可是出了名的精準 自從 2013年發佈以來 經過了一大堆測試 都證明了它的準確性 還有個想法是 可能我們對暗能量的理解還不夠 也許暗能量會隨着時間變化 或者和暗物質有某種聯繫 或者還牽涉到別的我們不知道的因素 這種可能性讓理論家們很興奮 引發了一大堆探索性的研究文章 再來，超新星測量的準確性 也可能受到質疑 雖然它們能更直接地測量現在的膨脹率 但由於恆星爆炸的複雜性 超新星觀測也不是絕對可靠的 如果我們對這些複雜的物理過程 理解得不夠透徹 超新星就不能作爲一種精確的宇宙學工具 超新星模型裏哪怕一點點的不確定性 都可能解釋韋伯望遠鏡 在這場危機中發現的所有差異 但宇宙學的問題不止這一個 韋伯太空望遠鏡讓情況變得更加複雜 據尼爾·德格拉斯·泰森所說 韋伯望遠鏡發現了一些 按照我們目前對宇宙的理解 本不該存在的東西 所以有些東西必須得改變 我們現在的科學理解需要重新審視 但我們甚至不知道該從哪裏開始 讓我們回到起點 看看爲什麼這個發現是個大事 恆星、黑洞和星團 可能在大爆炸後的1.5億年內就出現了 甚至可能早在0.5億到1億年後 不過，這種情況應該不太常見 我們還不清楚 這些演化星系在之後的時期有多普遍 這些事件可能發生在 大爆炸後的2億到4億年間 通過宇宙學，天文學家可以知道 一個天體離我們有多遠 進而推斷出它的大小 韋伯望遠鏡最近的圖像顯示 一些星系比標準宇宙學模型預測的更遠 也就是更古老 這又是一個跡象 表明我們的模型需要更新 哈勃對宇宙膨脹的開創性發現 是基於對星系的研究 韋伯太空望遠鏡的圖像顯示 星系的形成時間 比現有的宇宙學模型預測的要早得多 這在學界引發了危機 這跟星系和年齡紅移的關係有關 根據標準宇宙學模型 星在大爆炸後的40萬年就開始出現了 這是由於質子和電子結合在一起 在這之前 它們與即將出現的宇宙微波背景輻射共存 氫重組後 宇宙主要由這些原子的平滑氣體 還有一些氦和殘餘的背景輻射組成 然後，引力開始在這些密度較高的小區域 也就是氫氣中的擾動起作用 慢慢讓它們塌陷 誕生了第一批恆星 這些早期的恆星完全由氦和氫組成 但這種情況不會永遠持續 接着，恆星會進行一個稱爲核聚變的過程 核聚變可以產生更重的元素，比如碳和氮 這些元素在星系形成中起着關鍵作用 因爲它們可以吸收熱量併發射冷卻的光子 這對於在這些初代恆星超新星爆炸時 把氣體凝聚成星系至關重要 並且用重元素把周圍的氣體分散開 每次超新星爆炸和新興黑洞都會向 宇宙中發射紫外線 從氫原子中剝離電子 增強對紫外線的透明度 在連續產生重元素和紫外線輻射 足以形成星系之後 大量的氣體和恆星坍縮成引力束縛的實體 共同形成了第一個星系 雖然觀測證據支持這個敘述的關鍵方面 但要把它整合進膨脹宇宙的宇宙學框架時 就出現了挑戰 那我們怎麼理解這個差別呢？ 咱們的標準宇宙學模型其實是用紅移 就是觀測到的星系等天體 因爲宇宙膨脹而發生的光波拉長現象 來測量宇宙中物體的距離 然後把這個距離 跟大爆炸到現在的年齡對應起來 距離這事兒我們是直接觀察到的，不會變 年齡則是根據愛因斯坦的廣義相對論 和我們對粒子物理的瞭解 結合起來理解宇宙膨脹怎麼影響時間的流逝 但自從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡運行以來 情況就變得有點複雜了 它觀察到的遠處星系 比我們的標準模型預測的還要老、還要遠 哈勃望遠鏡之前已經暗示過這一點 但韋伯望遠鏡給出了更確鑿的證據 這就意味着，按照我們現有的理解 那些星系出現得太早了 本不應該這樣 我們的基本大爆炸模型畫出了 一個不斷髮展的宇宙圖景 而不是一個靜止不變的宇宙 這個模型到目前爲止還沒被挑戰過 但我們可能需要更新我們的理解 越來越多的數據不斷讓我們質疑這個故事 但到底需要改變多少呢？ 科學家們正在做些什麼來弄明白這件事呢？ 科學家們正在尋找更好的工具 來解決這些複雜的問題 現在有個名叫“火烈鳥“的項目 是個大冒險，也是處女座聯盟的一部分 這個項目的目標是通過廣泛的計算機模擬 從大爆炸到現在 來探索宇宙是怎麼演變的 這個項目研究宇宙中的元素 得到了歐洲研究委員會、 英國科學技術設施委員會、 荷蘭科學研究組織 和瑞士國家科學基金會的資金支持 在這整個模擬過程中 會產生一大堆虛擬的星系和星系團 像歐幾里德太空望遠鏡和美國宇航局 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡這樣的望遠鏡 會收集大量關於天體的數據 然後這些模擬將和觀測到的數據進行比較 幫我們弄明白 我們的標準宇宙學模型到底有多準確 以及它是否真的能很好地解釋宇宙的演化 “火烈鳥“項目的研究合作者、 杜倫大學的卡洛斯·弗倫克教授表示說 宇宙學正處於一個十字路口 新的望遠鏡非常精確 但我們從它們那裏得到的信息 和我們的理論模型不完全吻合 這反過來又引發了關於這些模型是否有效 或者有沒有什麼偏差的問題 這些精確的模擬旨在確定這些差異 是不是對現有宇宙學框架的挑戰 以前的模擬主要集中在冷暗物質上 但現在，天文學家們強調 在理解宇宙演化時 要把只佔宇宙16%的 普通物質和中微子也考慮進去 中微子是一種微小、不常互相作用的粒子 由萊頓大學的Jup Shay教授領導的 研究團隊進行了廣泛的模擬來研究宇宙的演化 他們用英國DiRAC高性能計算設施的 COSMA 8超級計算機運行模擬超過2年 這些模擬考慮了暗物質和普通物質的影響 特別關注後者的貢獻 他們用了5000萬個處理器小時 研究人員還引入了一種新的Swift代碼 能夠在成千上萬的中央處理單元 有時多達65,000個CPU 之間分配計算任務 我們對宇宙的理解正處於顛覆的邊緣 聽起來可能有點可怕 但其實，我們過去對科學的理解也曾經被質疑過 想想看，人類對宇宙的認識 已經發生了好大的變化 以前在古老的天文學裏 大家都以爲地球是太陽系的老大 恆星和行星都得圍着它轉 這種想法一直流行到十六世紀 那時候尼古拉·哥白尼站出來說 其實不是這樣的 地球和其他行星都是圍繞太陽轉的 這個想法可真是顛覆了當時的世界觀 到了十七世紀末，牛頓出現了 他對引力這玩意兒有了深入的研究 然後到了二十世紀，愛因斯坦 用他的廣義相對論徹底改寫了這個故事 引入了一個很深奧的概念 空間和時間是統一的 愛因斯坦的理論也被稱爲引力幾何理論 讓我們對引力有了全新的理解 1915年，他提出 引力是由彎曲時空的質量產生的 想象一下 一個重物放在一張薄薄的板上會使板凹陷下去 重物越重，凹陷越深 這種凹陷不光影響物質 它甚至還會影響光 在大質量物體的影響下 光線也會沿着扭曲的時空走彎路 這就是所謂的引力透鏡效應 是愛因斯坦引力理論的重要組成部分 物理學家約翰·惠勒有句名言 物質告訴時空該如何彎曲 時空告訴物質該怎麼移動 物質和時空曲率之間的這種相互作用 決定了天體的運動路徑 光線會沿着所謂的測地線前進 這條線在彎曲的時空中就像紙上彎曲的線條一樣 想象一下，你在一張紙上畫一條直線 如果紙張彎曲了，線條就不再直了 同樣的，光在穿過彎曲的時空時 它的路徑也會發生彎曲 在愛因斯坦之前 牛頓的物理學把空間和時間 看作是宇宙事件中不變的背景 儘管牛頓猜測光的彎曲程度很小 但愛因斯坦的動態時空理論 剛開始時遭到了懷疑 需要大量證據才能被20世紀的物理學界接受 引力透鏡提供了可預測和可觀察的效應 對於證實廣義相對論至關重要 1900年代初，人們還在爭論 銀河系是否是整個宇宙的全部 還是隻是衆多星團之一 哈勃通過測量到銀河系之外的星雲的距離 解決了這個問題 證明了我們的銀河系在浩瀚宇宙中 其實微不足道 哈勃基於廣義相對論測量了遙遠的星系 發現它們正在遠離我們 這說明宇宙正在膨脹 哈勃望遠鏡不是唯一一個完善這些測量的工具 但它對正在進行的宇宙學研究幫助很大 最近幾十年，霍金提出了一些大膽的想法 他說雖然宇宙不是無限的 但它也沒有像地球表面那樣的明確邊界 他還提出了關於宇宙終結的理論 除了之前聊到的哈勃張力問題 宇宙學界又遇到了一個新難題 叫做S8張力 這個問題主要是研究宇宙的均勻性 同時解決結構上的不確定性 我們周圍到處都是閃亮的恆星和星系 但宇宙中物質是怎麼分佈的？ 這個問題一直沒人能解開 就導致了S8張力的產生 這個問題源於宇宙學數據之間的差異 也就是現代宇宙中物質的“塊度“ 要解決這個問題 科學家們搞了個 名叫“火烈鳥“的超前沿計算機模擬項目 深入研究了所有宇宙元素的演變 與以往只關注暗物質的模擬不同 “火烈鳥“項目認爲普通物質也能影響引力 S8參數特徵的宇宙結構 對天文學家們提出了重大挑戰 他們通過低紅移觀測 比如觀測遙遠宇宙過程的弱引力透鏡 來精確測量這個參數 引力透鏡是由於質量引起的時空彎曲效應 使天文學家能夠研究遙遠的物體 但從宇宙微波背景實驗和引力透鏡 研究得出的S8值之間的差異讓人頭大 宇宙背景輻射的數據暗示了一個更高的S8值 這就產生了所謂的S8張力問題 這個問題和哈勃張力不一樣 哈勃張力是關於宇宙膨脹速率的爭論 這個S8問題是全新的 多虧了“火烈鳥”項目的模擬 科學家們原本以爲能解決S8張力問題 雖然這個項目的模擬考慮了普通物質的影響 包括銀河風等極端過程 但最終它沒能解決S8張力 這個問題的根源還是個謎 所以科學家們提出了一些有趣的猜測 可能只是因爲一些小錯誤 也可能意味着我們得重寫整個引力理論 但模擬似乎在我們目前的測量中發現了漏洞 在低紅移情況下 宇宙看起來沒有預期的那麼塊狀 這對標準模型的預測提出了挑戰 然而，進行的一些其他測量 卻又和標準模型完全吻合 這就引出了一個有趣的想法 即宇宙在相當長的一段時間內按預期運行 但後來可能經歷了某種變化 所以我們的模型可能還是部分正確的 但我們得找出究竟哪些地方需要修改 感謝您觀看這個視頻 如果您覺得它有趣 請不要忘記點贊和訂閱我們的頻道