宇宙学里没有解决的大问题

时间：2022-02-21 理论教育版权反馈

【摘要】：宇宙学里没有解决的大问题狐狸先生说说宇宙学里没有解决的大问题，这里每一个问题都有至少上百的科学家在研究：1．大爆炸是怎么回事？现在的假说认为，宇宙早期经历过暴涨时期。但到目前为止，还没有观察到确切的信号。宇宙脱离黑暗的这个过程被称作再电离过程。暗能量占宇宙质能组分的 70%强。超新星和暗能量可参考拙作超新星—测量宇宙的烛光2015-06-23欢迎来知乎查看更多好回答：目前宇宙中热门的研究对象有哪些？

宇宙学里没有解决的大问题_知乎周刊・201

宇宙学里没有解决的大问题

狐狸先生

说说宇宙学里没有解决的大问题，这里每一个问题都有至少上百的科学家在研究：

1．大爆炸是怎么回事？

现在的假说认为，宇宙早期经历过暴涨时期。在极其短的时间内，宇宙体积增加了 10 的 26 次方倍，这也就是所谓的大爆炸理论。暴涨模型解释了宇宙微波背景辐射来源和宇宙准平直疑难以及宇宙视界疑难。但是暴涨的具体机制如何，为什么会触发暴涨，人们还不清楚。现在天文观测上唯一的手段是探测暴涨期间引力波在微波背景辐射（CMB）上留下的痕迹。但到目前为止，还没有观察到确切的信号。在未来，会有更多的观测设备致力于此。

关于这个问题可以参考「宇宙大爆炸第一波的引力波震荡是怎么被探测到的？ - 物理学」

图一：Bicep2 研究组在 2014 年宣称自己找到了宇宙极早期引力波留下的痕迹，但后来证明，他们看到的信号可能被尘埃辐射污染，不能成为坚实的证据。但是后续的观测和下一代仪器正在热火朝天进行中。

2．宇宙的黑暗时代是如何结束的？

宇宙的早期是一个高热高密度的地方。宇宙的各处都充满了光明。光子在充满宇宙的自由电子间游走。但是随着宇宙膨胀，温度渐渐冷了下来。原子俘获了活力下降的电子。而光好像指缝间的水一样一下子流走。从宇宙早期光子和电子最后一次散射，到第一代恒星形成之间，宇宙经历了漫长的黑暗时代。宇宙脱离黑暗的这个过程被称作再电离过程。

是什么使得宇宙脱离黑暗？

是什么使得宇宙脱离黑暗？是第一代恒星？还是第一代星系？又或者是小型类星体(mini-quasar)？

现在的观测倾向于认为再电离可能不是一下完成的，早期的星系可能对再电离的贡献最大。但是观测上证据还很少。需要下一代大型望远镜去探测早期星系的光度函数，人们甚至希望下一代空间望远镜可以直接观测到第一代恒星。

图 2：观测中已经证明再电离在宇宙诞生后 10 亿年完成。但是再电离过程的细节还没有完全解开，参考科学网—宇宙再电离

3．星系为什么是现在看到的样子？

按照现在的星系形成理论，宇宙中暗物质先于可见物质成团。重子物质落入暗物质势阱中，聚集塌缩形成恒星。星系就是恒星的聚集体。这个理论模型现在被广泛相信。但是模型距离完美解释观测中星系多样化的观测性质还很远。这里面有很多热门的小问题，人们已经有了一些理解，但是还没有完全解决：

星系中的恒星形成历史是怎么样的？

如何解释观测到的椭圆星系和漩涡星系比例？

星系中的伪核球是如何形成的？

椭圆星系中含有多少暗物质？

为什么银河系观测到的卫星星系比理论预期少？

为什么星系群中的卫星星系比理论预期的更红？

黑洞吸积过程产生的能量反馈是如何影响星系中的恒星形成的？

……

图三：星系形成理论认为今天的星系都是由宇宙早期的小星系慢慢吸积物质，或者并合形成的。并合方式和并合历史的不同，产生了不同的星系形态（椭圆星系或者旋臂星系）

4．暗物质本质究竟是什么？

引力透镜观测和星系旋转曲线观测都告诉我们宇宙中存在大量的暗物质。结合宇宙微波背景辐射和星系巡天观测，我们知道暗物质占宇宙质能组分的 23%，占宇宙物质组分>80%。

但是暗物质的本质是什么？是一种什么粒子？是弱相互作用大质量粒子（WIMPs）,还是轴子，或者其实是惰性中微子？是否能够从星系中心或者星系团中看到暗物质湮灭的证据？

从现象学上说，暗物质究竟是冷的还是温的？冷暗物质可以形成极小质量的暗晕，而温暗物质宇宙中不存在极小质量的暗晕。天文观测上，我们如何探测这些极小质量暗晕？

图 4：计算机数值模拟结果。（Lovell et al. 2013）上图是冷暗物质宇宙中的暗物质晕，下图是温暗物质宇宙中的暗物质晕。冷暗物质宇宙中有更多小团块。可参考拙作丢失的星系 - 天淡银河垂地 - 知乎专栏

5．暗能量是什么？

暗能量的存在使得宇宙加速膨胀。暗能量占宇宙质能组分的 70%强。暗能量是什么？是真空能吗？暗物质能量密度是否随红移演化？暗能量状态方程是否随红移演化？暗能量是否真的存在，还是说我们需要修改引力理论？从天文观测上，我们需要结合弱引力透镜效应、微波背景辐射、超新星观测、重子声速震荡观测等等一起来解答这个问题。