天文学家用人工智能来揭示暗能量

一项新的测量提供关于驱动宇宙的膨胀的神秘力密度的洞察。

HARD SCIENCE — JANUARY 8, 2024

Don Lincoln

Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

关键要点

     由于一种被称为暗能量的神秘力宇宙正在加速膨胀。

为测量宇宙的膨胀率和研究暗能量的性质，天文学家用有一个一致亮度的Ia型超新星作为测量遥远距离的宇宙标记。

来自暗能量勘察（DES）的最新发现提示宇宙中暗能量的密度可能是恒定的，一个预测宇宙的未来演化的关键因素。

近一个世纪以来天文学家已经知道我们的宇宙正在膨胀。几十年来，科学家们预计了由于引力的力这种膨胀正在减慢。然而，这一切都在1990年代当天文学家意识到宇宙不仅在膨胀而且正在加速膨胀就像一列失控的火车在一个下坡上一样时变化了。宇宙字面上正在把它自己炸开。

     这种膨胀的罪魁祸首是一种叫暗能量的现象。这种看不见、不能探测的物质效果上是一种反引力，将遥远的星系推开并使空的空间越发更空。虽然科学界对暗能量存在是充满信心的，但这种能量是非常弱------相当于每立方米只有几个质子------确定它的属性是非常困难。但经过十年的努力，天文学家刚刚已经发布了一个就过去90亿年来随它已经存在的暗能量的量的非常精确的测量值。

暗能量勘察

暗能量勘察（DES）是在智利用强大的望远镜扫描了大约八分之一天空寻找超新星的天文学家的一个合作项目。超新星是导致一个闪光如此明亮以致它能被从数十亿光年看到的一颗恒星爆炸。虽然有几种不同种类的超新星，但一种特殊的叫“SN-Ia”超新星是非常特别的。SN-Ia超新星都是很相似的，这意味着它们都产生大致相同量的光。鉴于更远的天体出现比附近的天体更暗，天文学家能在他们的望远镜中比较一颗超新星对它的原始亮度出现多亮并用这些信息来确定超新星离地球有多远。

鉴于那个光以固定速度旅行，知道某物有多远正在告诉我们它是多老。毕竟，来自更远天体的光要用更长到达地球。因此，通过观察越来越遥远的天体，天文学家效果上有了一台时间机器。附近星系告诉我们关于现在宇宙的膨胀，而遥远天体告诉我们在遥远的过去中发生的。

天文学家还能成像其中这些超新星发生的星系来确定它们发射的光谱。由于多普勒效应，正在从地球离开的星系将比如果它们静止的出现更红，红度的量被相关到星系的速度。（这里提到的多普勒效应在视觉上等同于一列火车随它经过你火车汽笛音调的变化）。

科学家能将距离的测量和速度的测量结合来计算出宇宙的膨胀历史------这就是1998年中如何完成宇宙的加速膨胀的最初观测的。

最初的测量仅用了52颗超新星来做出他们的发现。最近，暗能量勘察用了大约1500颗超新星进行他们的新测量。该团队还用了先进的人工智能技术来确保它正在观察的超新星是愿望的SN-Ia类型。这一结果是在暗能量的理解中一个巨大进步。

暗能量的密度

科学家们早就知道暗能量目前约占宇宙中能量的三分之二。这个比率是否是一个常数仍然是一个开放问题。正是在这里情况变得复杂了。按照目前接受的宇宙理论，恒定的是暗能量的密度。随宇宙的体积增加，宇宙的暗能量构成的分数增加。

先前的测量提示暗能量的密度是恒定的，但这些早期的测量有过一些与它们相关的不确定性，导致我们的宇宙演化的理解的不确定性。精确确定暗能量的密度将对宇宙学理论有深远的结果。

如果宇宙中暗能量的密度是恒定的，一个用字母w代表的理论参数应该等于负1（w = -1）。当暗能量勘察科学家用了他们的数据来测量该参数时他们发现了一个值为（w = -0.80），但有一个从-0.66至-0.96的不确定性范围。预测和测量之间的差异与不确定性的大小大致相同，这意味着暗能量密度可能是恒定的。

暗能量勘察并不是唯一观察暗能量的量的小组。当他们将他们的测量结果与被普朗克小组更早测量结果结合起来时结合的结果是更精确的：w = -0.955，不确定性度范围为-0.923至-0.992。

底线是测量结果是非常接近于预测，导致科学家来得出暗能量密度可能是恒定的但微小的驻留差异意味着它们并不完全的确定的结论。他们将继续观察他们的数据并结合其他测量结果来完善他们的结果。

暗能量密度是按预测宇宙的未来演化最重要的参数之一：是否膨胀会像它一直是的一样继续来加速还是是否加速是减慢下来或加速起来。未来的测量如维拉鲁宾天文台计划的那些测量将帮助定下这一重要的测量。

https://bigthink.com/hard-science/dark-energy-survey/