宇宙加速膨胀(宇宙加速膨胀与星系自转曲线异常)

宇宙为何加速膨胀？

地球，太阳系，包括整个银河系和离我们最近的几千个星系，都在一个直径为2.5亿光年的巨大“泡泡”结构中运行。我们看似巨大的结构在宇宙中只是微不足道的一粒沙尘，宇宙中还有很多类似的巨大结构，组成了可观测宇宙，而可观测宇宙又是整个宇宙的一个小小的斑点。宇宙巨大到无法想象，不过对于天文学家来说，比宇宙的大小更令人难以琢磨是宇宙的膨胀演化和宇宙的未来。

自138亿年前，宇宙经历大爆炸诞生以来，它就一直在膨胀，这一理论最初是由比利时的乔治·勒迈特提出的，而埃德温·哈勃则首先证明了这一观点。天文学家在1929年就发现，每个星系都在远离我们，这也表明过去有一段时间所有星系都位于同一地点，这个时间对应的就是宇宙的起源，也就是大爆炸。

宇宙膨胀还意味着，无论我们身处哪个星系，其他的星系都在远离我们，也就是说星系并没有在太空中移动，而是在宇宙空间本身在扩大。换句话说，宇宙没有中心，一切都在远离其他的一切。听起来好像很矛盾，我们可以想象在一个1000万光年之内有一个星系的空间参考系网格，网格的对角有两个星系，那么经过足够的时间后，该网格将伸展，星系将离得更远，如果时间足够，这两个星系之间的距离将是无限的。

天文学家们为了解释宇宙膨胀，还拿了一块葡萄干面包。我们可以想象宇宙是这个葡萄干面包本体，随着面包自己在膨胀，在里面的葡萄干的距离越来越远，但是值得注意的是，葡萄干，也就是这些星系仍然停留在面团中，星系自己其实没有动。回到宇宙当中，星系（葡萄干）可能会在某一时刻消失，我们再也看不到了，因为宇宙膨胀的速度如此之快，以至于它们的光从未到达过地球。

伴随宇宙膨胀而来的哈勃常数

确实，宇宙一直在膨胀，但是宇宙膨胀的有多快呢？说到这里，我们要说的一个理论名为哈勃常数，哈勃常数其实就是用来计算宇宙随时间膨胀的速度。天文学家自2005年以来一直在用哈勃望远镜探索并细化这些距离测量，测量之后天文学家们还需要对哈勃常数进行微调。在最新的研究中，天文学家使用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云中的70颗造父变星的光度变化，测试的结果使天文学家们对哈勃常数的不确定度从早期估计的2.2%降低到了1.9%。

研究人员利用所有这些信息计算现代宇宙的膨胀率，新的数值是每326万光年范围内，宇宙每秒膨胀74.03公里。天文学家之后对数值进行了多次计算，这个数字的不确定性，也就是错误率仅为1.9％。这是迄今为止计算得出的最低的宇宙膨胀错误率值，低于2001年的10％和2009年的5％。相比之下，天文学家预期估算的扩展速率约为每326万光年范围内，宇宙每秒膨胀67.40千米。

宇宙为何一直在加速膨胀？究竟是谁造成的？

大多数学者认为，宇宙膨胀的力量是由于暗物质和暗能量的相互作用，导致新物质的不断产生，填补了宇宙的空间，使恒星之间的距离变大，这就是宇宙膨胀的真相。一些科学家做过这样的气球实验，气球表面有无数的斑点，然后气球被慢慢炸飞，斑点代表宇宙的恒星，而气球的膨胀象征着宇宙的膨胀，科学家发现，随着气球的膨胀，斑点之间的距离将继续扩大，速度将逐渐加快。

当光斑距离扩大时，吹气分子填补两个光斑之间的空隙。也就是说，宇宙膨胀的本质不是受某种重力或排斥力的影响，而是新物质的产生，推动恒星之间的距离迅速扩大，众所周知，宇宙的框架是由暗物质和暗能量组成的。暗物质产生的引力将减缓宇宙的膨胀，而暗能量产生的力则相反会加速宇宙的膨胀。

然而，暗物质和暗能量是相互对立的，一直处于相互斗争的状态，然而，目前，人类对它们的研究和理解非常有限。然而，仍然可以推断，宇宙的膨胀可能没有上限，宇宙膨胀的这种加速意味着宇宙在空间结构中包含的一些未知能量的推动下分崩离析。这种所谓的暗能量占据了宇宙的绝大部分组成，含量超过 70％。

这种暗能量最初只占宇宙的一小部分。然而，随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越重要。它的本质仍然是一个谜，也许是当今物理学面临的最大难题。宇宙膨胀的发现使我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，即，宇宙诞生于大约 137亿年前的一次大爆炸中。

关于宇宙为何一直在加速膨胀究竟是谁造成的的问题，今天就解释到这里。

宇宙为什么在加速膨胀？是因为有一种推动力那就是“暗能量”

一种被称为暗能量的神秘物质构成了宇宙的近四分之三，然而科学家们不仅不确定它是什么，而且也不确定它是如何运作的。那么，科学家是如何知道暗能量的存在的呢？源头又在哪里呢？

先说宇宙在膨胀：

1929年，美国天文学家埃德温·哈勃研究了被称为超新星的爆炸恒星，以确定宇宙正在膨胀。从此以后，科学家们一直在试图确定宇宙膨胀到底有多快。我们都知道有种引力的存在，引力-把一切联系在一起的力量-会抑制宇宙的扩张，所以很多人问的问题是，宇宙膨胀有多慢？

在20世纪90年代，两个独立的天体物理学家团队再次把目光转向遥远的地方。超新星计算减速，令他们惊讶的是，他们发现宇宙的膨胀并没有减慢，而是加速了！一定有某种东西在对抗重力，科学家们称它为“暗能量."

通过计算克服重力所需的能量，科学家确定暗能量约占宇宙的68%。暗物质又占27%，剩下我们熟悉的“正常”物质只占我们周围宇宙的不到5%。

因为我们对暗能量了解特别少： 暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。 未知的暗能量的性质仍有待进一步研究。最近的观察表明，暗能量在宇宙的 历史 上一直存在，这提供了一些关于看不见的物质的洞察力。

约二十年前，一项研究表明我们的宇宙正在膨胀，而膨胀的速率不是恒定或减慢，而是在加速。这项研究在2011年被授予了诺贝尔物理学奖。 学者们认为暗能量的密度可能是一种宇宙常量，而真空则提供了宇宙膨胀的动力。

然而，主流理论认为暗能量是空间的属性。爱因斯坦是第一个明白空间不仅仅是空的。他还了解到，更多的空间可以继续存在。在他的理论中广义相对论，爱因斯坦包括宇宙学常数来解释科学家认为存在静止的宇宙。哈勃宣布宇宙膨胀后，爱因斯坦称他的常数为“最大的错误”。

但爱因斯坦的错误可能是最佳配合暗能量。预测空间可以有自己的能量，常数表明，随着空间的增加，宇宙将增加更多的能量，从而增加宇宙的膨胀。虽然宇宙学常数与观测结果相吻合，但科学家们仍然不确定为什么会这样？

暗能量与暗物质

暗能量占宇宙的绝大部分，但是暗物质也涵盖了相当大的一部分。暗物质约占宇宙的27%，占物质的80%，暗物质也起主导作用。

就像暗能量一样，暗物质继续困扰着科学家。虽然暗能量是解释宇宙膨胀的一种力量，但暗物质解释了物体群是如何一起工作的。

暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分 。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中27%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。

在20世纪50年代，研究其他星系的科学家根据星系内部物体的分布，预计引力会使中心旋转得比外部边缘更快。令他们惊讶的是，这两个区域的旋转速度是一样的，这表明螺旋星系的质量比表面看起来要大得多。对椭圆星系内部的气体和星系团的研究表明，这种隐藏的物质散布在整个宇宙。

科学家们发现了有许多暗物质，难以置信的昏暗物体到奇怪的粒子。但是， 无论暗物质和暗能量的终究来源是什么 ，很明显，宇宙还有各种未解之谜，等待科学家们去 探索 发现，目前一些科学仪器局限性，期待你们去 探索 。

为什么说现在的宇宙是加速膨胀的

因为科学家观察星系时，发现光谱的谱线并不在它的标准位置上，而是所有的谱线的波长都加长了，并且距离越远，此现象越明显，也就是谱线向红端移动，这种现象就是谱线红移，简称红移。之所以说宇宙加速膨胀，关键是：距离越远，红移越明显，这说明宇宙膨胀没有停止。可能有人会质疑宇宙会不会匀速膨胀，减速膨胀，这都有可能。但是加速度本身就存在正、负加速度，和0加速度，同样膨胀的加速度，也存在正、负和0。总之现在宇宙还在红移，就说明宇宙还在膨胀，所以说宇宙加速膨胀。

“宇宙是加速膨胀的”这个说法正不正确，有什么理论依据？

自打有人类文明时，人类就开始仰望星空，并且开始思考许多终极的奥义。比如：宇宙到底是什么样子的？

客观地说，人类拿出第一个像样一点的科学理论就是：地心说。很多人会认为地心说是伪科学。实际上，这个观点是有问题的。我们且不说地心说本身，我们单纯从高中学过的参照系的知识来看这个问题，其实地心说和后来的日心说区别并不大，只是选择的参考系不同而已。

客观地说，地心说是非常符合科学范式的。在当时的观测技术下，地心说其实已经够用，它和许多观测现象是很吻合的。不仅如此，地心说其实是一个套非常严密的理论体系。而人类构造地心说足足花了600年左右的时间，从毕达哥拉斯一直到托勒密。

后来，到了欧洲的中世纪，哥白尼提出了日心说，哥白尼的日心说其实和托勒密的地心说比起来，精度度是差不多的，并没有多少超越。

但我们如今依然很提倡哥白尼的精神。原因就在于哥白尼让那个时代的学者知道，地心说并非是绝对的权威，我们人类可以追求更好的理论体系。于是，在第谷、伽利略、开普勒的努力之下，人类对于宇宙的理论更加深入。后来，牛顿横空出世，提出了牛顿三定律和万有引力定律，统一了地球上和宇宙的物理学。

但是，万有引力让牛顿感到十分为难，为什么这么说呢？

我们知道，万有引力描述的是物质之间的引力，万物皆有引力。那按照这个想法，宇宙应该在引力的作用下逐渐向中心聚拢，最后收缩到一个点上。

但事实上，我们并没有发现任何这方面的天文学现象。因此，这就说明万有引力定律和现实发生了相互矛盾。牛顿当时很纠结，他提出了一个解决办法，他认为宇宙应该是无限大的。如果是这样的，宇宙就没有中心，或者说是处处都是中心，那么处处都会呈现引力的动态平衡，也就不会像中心聚拢了。

奥伯斯佯谬

牛顿开始完美地解决了这个问题。但实际上，很多学者是不服的。比如，牛顿之后100年，有一位学者叫做奥伯斯。

他就提出，如果宇宙是无限大的，那么意味着宇宙中存在着无限多的恒星，我们知道恒星都会发生，那么无限多的恒星发光，就应该把地球的天空照亮，地球也就不应该会有黑夜了，这就打脸了牛顿的观点。

这也被称为奥伯斯佯谬。我们还无法验证牛顿这种“宇宙无限大”的想法，但我们已经知道奥伯斯的这个想法也是有问题，首先，光传播也是有速度的，而不是瞬间的。其次，宇宙是有年龄的。基于这两点，就意味着并不是所有恒星发出的光都来得及到达地球。

标准宇宙模型

到了近现代，爱因斯坦提出了大名鼎鼎的广义相对论。在这个理论当中，有一个描述宇宙形态的方程，被称为引力场方程。爱因斯坦就发现：引力场方程预示着宇宙正在膨胀。

不过，爱因斯坦一直坚信：宇宙是永恒的，也就是说，宇宙是不随着时间变化的。于是，爱因斯坦在引力场方程中加了一个宇宙学常数，只要对宇宙学常数合理取值，就可以抵消宇宙的膨胀效应。

不过，爱因斯坦不久就迎来了打脸。当时，有个天文学家叫哈勃。他在观测银河系外的大部分星系时，他就发现，星系都在远离我们，而且是距离的逐渐变远，而且是越远，远离我们的速度越快。

如果这是天体在运动，那应该是应该是有的在靠近我们，有的在远离，而不是他观测到的现象。于是，就有科学家提出，宇宙膨胀是符合哈勃的观测结果，而且也符合爱因斯坦的引力场方程的描述。

据说，当爱因斯坦得知哈勃的方向时，就表示给引力场方程添加一个宇宙学常数是他一生当中做过最后悔的一件事。

按照哈勃的发现，似乎宇宙学常数应该被请出引力场方程。可万万没有想到，这件事情后来又发生了反转。

按照理论，宇宙大爆炸之后，宇宙发生剧烈的膨胀。但是我们所处的是一个物质主导的宇宙，物质是体现出引力作用的。因此，膨胀的速度会因为物质的引力，呈现出减速膨胀。科学家也一直是这样的认为。可是，就有科学家公布了他们观测Ia型超新星的结果，这个结果告诉我们，宇宙非但没有减速膨胀，相反，宇宙在加速膨胀。

那为什么宇宙会发生加速膨胀的呢？

科学家其实也没有完全搞懂，他们发现宇宙中存在着一种我们观测不到的物质，它可以提供与引力相反的作用：斥力。它还和真空有关，当宇宙的空间越大，斥力的作用就越明显。科学家把这种物质叫做：暗能量。除了暗能量，科学家还发现另外一个种也是观测不到的物质：暗物质。

暗物质和物质一样，是提供引力的。不过，根据目前的最新观测结果，我们知道暗能量占据了绝对的主导，占比远远超过暗物质和可见物质，这才使得宇宙加速膨胀。

让宇宙加速膨胀的是什么呢？

物理学家提出，宇宙中存在着额外的成分，这或许可以解释宇宙的膨胀速度为什么比预期的要快。

宇宙膨胀的速度比科学家预测的快得多，这是宇宙学中最难以解释的异常现象之一。根据对宇宙大爆炸后不久后释放的辐射（宇宙微波背景辐射）进行测量，物理学家预测了宇宙的膨胀速率，即所谓的哈勃常数。这些辐射揭示了早期宇宙的精确成分。宇宙学家将这些成分代入宇宙演化模型中，并将模型向前运行，以观察今天的宇宙空间应该以多快的速度膨胀。

然而，模型预测的结果并不准确：在对脉动变星和爆发的超新星等天体进行观察时，宇宙学家看到的是一个加快膨胀的宇宙，其哈勃常数也更大。

这种被称为“哈勃冲突”（Hubble tension）的现象一直存在，即使所有的测量手段都变得越来越精确。一些天体物理学家仍在争论这一差异是否只是测量误差。但可以确定的是，如果这种差异真实存在，那就意味着宇宙学家的宇宙模型中缺少某些东西。

近年来，理论物理学家一直在推测新的宇宙成分，这些成分一旦加入标准模型，就可以导致宇宙的膨胀速率加快，使其与观测值相符。

“发现异常是科学进步的根本途径，”哈佛大学的宇宙学家阿维·勒布说道。他是数十位试图解决“哈勃冲突”的研究者之一。接下来，就让我们来了解一下解释宇宙加速膨胀的一些最重要的理论。

衰变的暗物质

宇宙学的标准模型包含了所有我们熟悉的物质和辐射形式，以及它们之间的相互作用；它还包括被称为暗能量和暗物质的不可见物质，二者加起来构成了96%的宇宙。由于人们对这些黑暗部分知之甚少，因此它们可能是修改标准模型时最容易想到的地方。“这就是可以任你改变宇宙膨胀速率的部分，”阿维·勒布说道。

标准模型假设暗物质由不与光相互作用的缓慢粒子组成，但如果我们也假设，暗物质并非由单一物质构成的呢？我们已经发现了许多不同种类的可见粒子——夸克、电子等等——因此可能也存在着多种暗粒子。

阿维·勒布和两位合作者提出了一种暗物质形式，能衰变为一种较轻的粒子和一种无质量的粒子，即暗光子。他们推断，随着时间的推移，越来越多的暗物质衰变，导致其引力减弱，从而使宇宙加速膨胀。于是，“哈勃冲突”便迎刃而解。

然而，对标准宇宙学模型进行这样的小改动可能会产生不必要的连锁反应。美国约翰·霍普金斯大学的理论物理学家马克·卡米奥科夫斯基说：“提出各种各样的微小修改很容易，但如果不破坏模型与其他大量天文观测结果的完美契合，就很难做到这些。”

通过改变暗物质的衰变速率和每次衰变的量，勒布和同事最终确定了一个暗物质衰变的模型。他们表示，该模型仍然与其他天文观测结果一致。“如果你把这个成分加入到标准的宇宙学模型中，一切都能很好地结合在一起，”勒布说道。

不过，勒布仍然不大满意暗物质衰变理论，部分原因是该理论在方程中引入了两个新的不确定量。他说：“在这种情况下，你是通过添加两个自由参数来解决一个差异，我对此感到不安。”他将衰变的暗物质比作托勒密地球中心宇宙体系中的本轮，“我宁愿用一个参数来解释两个差异”。