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宇宙為什么不按計劃生長

發布時間:2025-10-22閱讀( 15)

我們生活在一個由暗能量和暗物質主導的宇宙中。暗能量是一種神秘的力量,它使得宇宙加速膨脹,而暗物質是一種看不見的物質,它通過引力作用于普通物質,形成星系和星團等大尺度結構。這兩種成分分別占據了宇宙能量密度的約70%和25%,而我們熟悉的原子物質只占據了不到5%。

我們可以用一種簡單而優美的理論來描述這個宇宙:廣義相對論加上一個常數Λ,即愛因斯坦方程中的一個額外項,代表著暗能量。這個理論被稱為ΛCDM模型,其中CDM代表冷暗物質,是一種速度很慢的暗物質。這個模型可以很好地解釋許多觀測數據,比如宇宙微波背景輻射的溫度漲落、星系紅移巡天的密度擾動、超新星的距離-亮度關系等。

然而,最近有一些新的證據表明,這個模型可能并不完美。一些來自不同數據源的研究發現,宇宙中大尺度結構的生長速率似乎比ΛCDM模型預測的要慢。換句話說,宇宙中的密度擾動似乎沒有按照理論計劃那樣增長。這些數據源包括:弱引力透鏡、星系聚類和宇宙速度場。

這些數據源都可以給出一個重要的參數:fσ8,其中f是擾動增長率,σ8是8赫茲球內的密度漲落標準差。這個參數反映了宇宙中結構形成的強度。如果ΛCDM模型正確,那么fσ8應該隨著紅移z(即觀測時刻與現在時刻之間的相對時間差)而變化,并且可以用一個簡單的公式來表示:

其中Ωm(z)是物質能量密度占總能量密度的比例。這個公式中的0.55是一個特殊的數字,叫做增長指數γ。它是由廣義相對論在平坦ΛCDM模型下推導出來的。

但是,當我們把不同數據源得到的fσ8值拿來比較時,我們發現了一個驚人的事實,它們之間并不一致!

這個結果意味著什么呢?它意味著宇宙中大尺度結構的生長速率比ΛCDM模型預測的要慢,或者說,宇宙中存在一種抑制結構生長的機制。這種機制可能是由于暗能量的性質不同于常數Λ,或者是由于引力理論不同于廣義相對論,或者是由于我們忽略了一些重要的物理過程。

為了更好地理解這個問題,我們可以用一個更一般的公式來表示fσ8:

這里我們把增長指數γ當作一個自由參數,而不是固定為0.55。這樣,我們就可以用不同的數據源來擬合γ的值,看看它是否與0.55一致。如果不一致,那么就說明ΛCDM模型有問題。

我們用最新的CMB、WL、GC和CV數據來做這個擬合,得到了下面的結果:宇宙微波背景數據給出γ=0.554±0.024,與0.55一致;微引力透鏡數據給出γ=0.638±0.032;星系聚類數據給出γ=0.629±0.031;宇宙速度場數據給出γ=0.633±0.025。所有數據結合起來給出γ=0.633,與0.55不一致,偏高。

這些結果清楚地表明,宇宙中大尺度結構的生長速率被抑制了,并且這種抑制在暗能量占主導地位的時期(即低紅移時期)更明顯。這也解釋了為什么CMB數據與其他數據源不一致,因為CMB數據反映了高紅移時期(即暗能量還沒有占主導地位時期)的情況。

那么,這個結果對我們對宇宙的認識有什么影響呢?首先,它意味著ΛCDM模型可能需要修正。我們可能需要考慮一些更復雜的暗能量模型或者更廣泛的引力理論來解釋這個現象。其次,它意味著我們對物質密度漲落幅度S8的估計可能有誤。S8是一個重要的參數,它反映了宇宙中結構形成的程度。如果我們用ΛCDM模型來推斷S8,那么我們會得到一個比實際值低的結果。這也可能導致一些觀測上的矛盾,比如星系和星團數目與理論預測不符。

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