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到底有否暗能量?

2020/3/15 — 9:00

Credits: NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team (STScI) https://go.nasa.gov/2U0uLqx

Credits: NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team (STScI) https://go.nasa.gov/2U0uLqx

常言宇宙虛無,因為相對於「有嘢」的物質而言,太空實在太多空間、太過空了。不過,按近當代理論和實證,這些「空」或「無」並不如此:物質只佔宇宙不足半成,而剩餘的則約三、七開,分別為暗物質和暗能量。說「暗」不是真的暗,實是「黑」,英文稱 dark matter and dark energy, but not dim matter nor dim energy. 但緣何是「黑」?

黑者無光(包括可見光外的輻射),探測不到,其實迄今世人都不太掌握暗物質、暗能量是什麼。之所以要「老作」暗物質,是因據星系當中的恆星質量及其運轉速度,無法模擬出穩定星系,照理恆星早應各散東西,故推論星系當中應還有些不知名質量,是為暗物質。然而,若在已知物質和推算所需的暗物質合計,則宇宙間的引力會過大,大到應不見紅移。不過在觀測上,宇宙膨脹速度愈來愈快,那有什麼力量能將之撐開?於是又要「老作」暗能量來解釋。廿餘年前已有學者推算過暗物質和暗能量的佔比:

Source: Riess et al (1998)

Source: Riess et al (1998)

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上圖的縱橫交錯直、虛線代表不同宇宙形態,而橢圓的則為好些模型設下的限制。在這些限制下,可見暗物質和暗能量佔比約 0.3 和 0.7 ,即三、七開。然而,這都是以SNIa 推算出來的。 SNIa 乃超新星編號(SuperNova type Ia),傳統認為白矮星在沉積 (accretion) 時質量分佈均勻,故塌縮至極爆發時的最強亮度穩定於 -19.3 ±0.03 等。由於亮度跟距離的平方成反比,故知道亮度和質量,便變相知道距離。從距離的變化,就可推測宇宙在加快膨脹。不過,最近 Kang et al (2020) 質疑這 SNIa 的亮度穩定性。

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其論據簡單,指這亮度受恒星年齡影響,而此乃之前所被忽視 (missing variable) 。當計及這因素後再推算這「兩暗」的佔比時,則發現即使毋須暗能量(即設 =0),其所模擬出的結果亦符合前人(青色)觀測所推算的結果,遠近(不同紅移)皆然。

若這屬實,是頗顛覆性的,因近十幾廿年的共識是暗能量佔七成。不過,儘管毋須「老作」暗能量,但維持暗物質佔 27% 假設,那剩下來本屬暗能量的七成又是什麼?

參考:

Kang, Yijung; Lee, Young-Wook; Him, Young-Lo; Chung, Chul; and Ree, Chang Hee (2020). “Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution In Supernova Cosmology,” forthcoming in Astrophysical Journal, arXiv:1912.04903v2.

Riess, Adam G. et al (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant,” The Astronomical Journal 116 (3), 1009 – 1038, Sep.

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