宇宙學(xué)里沒有解決的大問題

狐貍先生

說說宇宙學(xué)里沒有解決的大問題，這里每一個(gè)問題都有至少上百的科學(xué)家在研究：

1．大爆炸是怎么回事？

現(xiàn)在的假說認(rèn)為，宇宙早期經(jīng)歷過暴漲時(shí)期。在極其短的時(shí)間內(nèi)，宇宙體積增加了 10 的 26 次方倍，這也就是所謂的大爆炸理論。暴漲模型解釋了宇宙微波背景輻射來源和宇宙準(zhǔn)平直疑難以及宇宙視界疑難。但是暴漲的具體機(jī)制如何，為什么會觸發(fā)暴漲，人們還不清楚?，F(xiàn)在天文觀測上唯一的手段是探測暴漲期間引力波在微波背景輻射（CMB）上留下的痕跡。但到目前為止，還沒有觀察到確切的信號。在未來，會有更多的觀測設(shè)備致力于此。

關(guān)于這個(gè)問題可以參考「宇宙大爆炸第一波的引力波震蕩是怎么被探測到的？ - 物理學(xué) 」

圖一：Bicep2 研究組在 2014 年宣稱自己找到了宇宙極早期引力波留下的痕跡，但后來證明，他們看到的信號可能被塵埃輻射污染，不能成為堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。但是后續(xù)的觀測和下一代儀器正在熱火朝天進(jìn)行中。

2．宇宙的黑暗時(shí)代是如何結(jié)束的？

宇宙的早期是一個(gè)高熱高密度的地方。宇宙的各處都充滿了光明。光子在充滿宇宙的自由電子間游走。但是隨著宇宙膨脹，溫度漸漸冷了下來。原子俘獲了活力下降的電子。而光好像指縫間的水一樣一下子流走。從宇宙早期光子和電子最后一次散射，到第一代恒星形成之間，宇宙經(jīng)歷了漫長的黑暗時(shí)代。宇宙脫離黑暗的這個(gè)過程被稱作再電離過程。

是什么使得宇宙脫離黑暗？

是什么使得宇宙脫離黑暗？是第一代恒星？還是第一代星系？又或者是小型類星體(mini-quasar)？

現(xiàn)在的觀測傾向于認(rèn)為再電離可能不是一下完成的，早期的星系可能對再電離的貢獻(xiàn)最大。但是觀測上證據(jù)還很少。需要下一代大型望遠(yuǎn)鏡去探測早期星系的光度函數(shù)，人們甚至希望下一代空間望遠(yuǎn)鏡可以直接觀測到第一代恒星。

圖 2：觀測中已經(jīng)證明再電離在宇宙誕生后 10 億年完成。但是再電離過程的細(xì)節(jié)還沒有完全解開，參考科學(xué)網(wǎng)—宇宙再電離

3．星系為什么是現(xiàn)在看到的樣子？

按照現(xiàn)在的星系形成理論，宇宙中暗物質(zhì)先于可見物質(zhì)成團(tuán)。重子物質(zhì)落入暗物質(zhì)勢阱中，聚集塌縮形成恒星。星系就是恒星的聚集體。這個(gè)理論模型現(xiàn)在被廣泛相信。但是模型距離完美解釋觀測中星系多樣化的觀測性質(zhì)還很遠(yuǎn)。這里面有很多熱門的小問題，人們已經(jīng)有了一些理解，但是還沒有完全解決：

星系中的恒星形成歷史是怎么樣的？

如何解釋觀測到的橢圓星系和漩渦星系比例？

星系中的偽核球是如何形成的？

橢圓星系中含有多少暗物質(zhì)？

為什么銀河系觀測到的衛(wèi)星星系比理論預(yù)期少？

為什么星系群中的衛(wèi)星星系比理論預(yù)期的更紅？

黑洞吸積過程產(chǎn)生的能量反饋是如何影響星系中的恒星形成的？

……

圖三：星系形成理論認(rèn)為今天的星系都是由宇宙早期的小星系慢慢吸積物質(zhì)，或者并合形成的。并合方式和并合歷史的不同，產(chǎn)生了不同的星系形態(tài)（橢圓星系或者旋臂星系）

4．暗物質(zhì)本質(zhì)究竟是什么？

引力透鏡觀測和星系旋轉(zhuǎn)曲線觀測都告訴我們宇宙中存在大量的暗物質(zhì)。結(jié)合宇宙微波背景輻射和星系巡天觀測，我們知道暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)能組分的 23%，占宇宙物質(zhì)組分>80%。

但是暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？是一種什么粒子？是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）,還是軸子，或者其實(shí)是惰性中微子？是否能夠從星系中心或者星系團(tuán)中看到暗物質(zhì)湮滅的證據(jù)？

從現(xiàn)象學(xué)上說，暗物質(zhì)究竟是冷的還是溫的？冷暗物質(zhì)可以形成極小質(zhì)量的暗暈，而溫暗物質(zhì)宇宙中不存在極小質(zhì)量的暗暈。天文觀測上，我們?nèi)绾翁綔y這些極小質(zhì)量暗暈？

圖 4：計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果。（Lovell et al. 2013）上圖是冷暗物質(zhì)宇宙中的暗物質(zhì)暈，下圖是溫暗物質(zhì)宇宙中的暗物質(zhì)暈。冷暗物質(zhì)宇宙中有更多小團(tuán)塊?？蓞⒖甲咀鱽G失的星系 - 天淡銀河垂地 - 知乎專欄

5．暗能量是什么？

暗能量的存在使得宇宙加速膨脹。暗能量占宇宙質(zhì)能組分的 70%強(qiáng)。暗能量是什么？是真空能嗎？暗物質(zhì)能量密度是否隨紅移演化？暗能量狀態(tài)方程是否隨紅移演化？暗能量是否真的存在，還是說我們需要修改引力理論？從天文觀測上，我們需要結(jié)合弱引力透鏡效應(yīng)、微波背景輻射、超新星觀測、重子聲速震蕩觀測等等一起來解答這個(gè)問題。

圖 5：Ia 型超新星是宇宙中的標(biāo)準(zhǔn)燭光，可以用來測量宇宙空間的膨脹速率，從而推導(dǎo)宇宙中的暗能量成分。超新星和暗能量可參考拙作超新星—測量宇宙的燭光

2015-06-23

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