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【科学讲座】赵公博:破解宇宙加速膨胀之谜

2018年11月22日晚7点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第173讲在玉泉路校区阶一5教室如期举行。项目科学领域“暗能量与宇宙学”组组长,国家天文台研究员赵公博老师为同学们带来题为“破解宇宙加速膨胀之谜”的讲座。

讲座开始,赵老师先以幽默风趣的口吻带我们回顾了宇宙漫长的历史。宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。宇宙刚诞生不久,光子几乎填满了所有的空隙。宇宙大爆炸后约38万年是目前能观测到的光子的最早的生日,这些光子在现在观测上表现为微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊是微波背景辐射的最早发现者。他们在排查卫星通讯的噪音源时发现老是有大致不随季节、方向变化的噪声温度得不到解释,这个噪音这就是宇宙微波背景辐射。随着宇宙的演化,星体开始形成。之后,人类诞生了。

1687年,牛顿发表了其对于万有引力的研究,开创了宇宙学的先河。1917年,爱因斯坦利用他的引力场方程,对宇宙进行了探讨,基于宇宙是静态的理念,提出了宇宙常数。1929年,哈勃发现宇宙在膨胀的事实,揭示了爱因斯坦关于宇宙常数的错误,宇宙常数也因此消失在人们的视线中。可是到了今天,人们发现了宇宙不但在膨胀,还在加速膨胀,宇宙常数又一次被提上议程,只不过这次,它仅作为暗能量的候选。

爱因斯坦引力会使宇宙坍缩,那么宇宙将如何加速膨胀呢?赵老师认为,从逻辑上说,有两大可能性:一是爱因斯坦引力可能并不适用于某些情况,二是可能存在未知能量(暗能量)使宇宙加速膨胀。目前关于引力波的探测基本肯定了爱因斯坦引力的正确性,故暗能量成了宇宙加速膨胀的头号嫌疑犯。最早通过红移现象观测到宇宙膨胀的是哈勃,既哈勃之后,大型的巡天项目如e-BOSS项目等也正在利用这一“传统”的方法获取全方位的宇宙膨胀信息。除了红移畸变,巡天项目还研究重子声波振荡、小尺度成团性等,为研究引力修正、暗能量与中微子质量提供数据支持。宇宙早期,光子与重子相互作用,光子有向外运动的趋势,重子则有向内聚合的趋势,这就相当于竖直的弹簧振子,因此产生了振动,进而形成波向外传播。这就是重子声波振荡。在宇宙爆炸后约38万年,声波振荡信息被“冻结”。但是,赵老师说,如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,它可以作为测量宇宙中类星体距离的标尺。赵老师介绍道,通过e-BOSS项目的观测得到的重子声波振荡涟漪与理论符合很好。

之后赵老师还介绍了有关红移畸变与小尺度成团性的相关知识,在这两个方面,赵老师所在的e-BOSS项目也得到了许多重要的成果。

讲座最后,赵老师耐心解答了同学们关于巡天项目、暗能量与物质的关系等问题。“在天文的世界里,什么都有可能,你们要做的就是大胆地想象。”在一片热烈的掌声中,讲座结束。(文/刘悦  图/伊力哈木江·伊拉木江  作者系国科大记者团成员)

 

赵老师为同学们做讲座

讲座内容简介:

1998年发现的宇宙时空加速膨胀当年被《科学》杂志评选为世界十大科学进展之首(该发现获得2011年诺奖)。该发现对于现有的经典物理理论是极大的挑战。根据广义相对论,一个由普通正压物质组成的宇宙,时空只能减速膨胀。理论上,修正引力和引入暗能量这两种不同的物理机制都可以使得宇宙加速膨胀,甚至可以给出同样的宇宙膨胀历史,但这两种机制却预言不同的字宙结构形成。因此,利用大尺度星系巡天观测宇宙的结构形成,从原则上这两种物理机制可以被区分,这对于揭示字宙加速膨胀现象背后的新物理有重要意义。本报告中,我将介绍大规模星系巡天宇宙学的最新进展。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。