2022-03-16 09:26

中子星可能是测量暗能量的最佳方法

暗能量是我们现代宇宙学理论的核心。我们知道宇宙正在以不断增长的速度膨胀,最清楚的解释是某种能量在推动它。由于这种能量不发光,我们称之为暗能量。但仅仅给暗能量起个名字并不意味着我们完全理解它。我们可以看到暗能量的作用,但它的基本性质可能是我们拥有的最大的科学谜题。

关于暗能量,最流行的观点是它是时空本身的一个方面。在爱因斯坦的广义相对论中,有可能包含一个被称为宇宙常数的术语。虽然宇宙可以在没有宇宙常数的情况下膨胀,但我们观察到,它需要这个常数来加速膨胀。也就是说,在广义相对论的框架内。

但是,虽然宇宙常数与观测结果非常吻合,但这个想法也存在问题。数据中不断出现的一个问题是,我们无法确定它的价值。当我们尝试用不同的方法测量这个常数时,我们得到的值略有不同。在过去,这些值的不确定性很大,以至于我们可以忽略这个问题,但我们的观察已经变得足够准确,很明显,它们并不相符。要么是我们的观测存在一些我们还没有确定的系统误差,要么是宇宙常数不太适用。如果这是真的,那么广义相对论就不是完全正确的。

那么还有什么选择呢?

其中最受欢迎的是布兰斯-迪克理论,或乔丹-布兰斯-迪克理论,或菲尔兹-乔丹-布兰斯-迪克理论,这取决于你想把这个想法归功于多少人。这个理论与爱因斯坦的模型非常相似,在这两个模型中,时空和物质都服从狭义相对论,时空是由一个被称为度规的张量场描述的,等价原理是正确的。基本上,广义相对论的任何解也是Brans-Dicke的解。


在广义相对论中,加速度等同于重力。来源:Markus Poessel,来自维基百科

Jordan-Brans-Dicke理论的提出部分是为了使广义相对论更好地符合马赫原理。因此,当爱因斯坦的模型完全通过时空度量来描述引力时,乔丹-布兰斯-迪克在混合模型中加入了一个标量场。引力的影响是由标量场和张量度规引起的,这就是为什么它有时被称为标量-张量模型。由于这个标量张量模型在某种程度上是爱因斯坦模型的推广,你可以使用其中任何一个模型来正确地描述观测到的宇宙。当然,如果你不需要一个额外的标量场来描述重力,为什么要发明一个呢?这就是乔丹-布兰斯-迪克理论不太受欢迎的原因。

除非你想要一个替代宇宙常数的方法。对于一个额外的标量场,突然之间你就有了一个可以解释暗能量的自由度。用正确的方式调整你的标量场,你就可以匹配我们对暗能量的观测。因为它是场而不是常数,暗能量可以在空间和时间上变化,这就解释了为什么我们不能把它定义为一个简单的常数。

这是一个有趣的想法,但只有当你能找到一个实验,证明爱因斯坦是错的,乔丹-布兰斯-迪克是对的,它才会被广泛接受。鉴于这两种模式非常相似,祝你好运。但最近的一项研究显示了乔丹-布兰斯-迪克理论是如何被验证的,它涉及到中子星的碰撞。


标量场增强了引力 中子星合并的Nal波模式。资料来源:Bezares等人

中子星碰撞的建模是困难的。广义相对论是一个复杂的数学理论,所以它需要大量的计算能力来模拟碰撞。Jordan-Brans-Dicke理论更加复杂,这使得模拟碰撞更加困难。但该团队能够创造一个可行的模拟。通过比较Jordan-Brans-Dicke理论和广义相对论中的中子星碰撞,他们发现引力波信号有关键的区别。这些差异太小,目前的引力波望远镜无法观察到,但下一代的天文台应该能够区分这些模型。

就目前来看,广义相对论和Jordan-Brans-Dicke理论都与我们的观测结果吻合得很好。广义相对论更受欢迎的主要原因是它更简单,在某些方面更优雅。但是简单和优雅并不总是能让一个模型正确。

最终,时间和空间会告诉你一切。

参考文献:Bezares, Miguel等人。“在广义相对论以外的双中子星合并的模拟中,没有动力学筛选的证据。”物理评论快报128.9(2022):091103。