主宰宇宙的暗物质和暗能量到底是什么？二者之间又有什么关联？

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　　随着时间的推移，宇宙变得越来越不被暗物质所支配，而更多地被暗能量所支配。它们为何能主宰宇宙？它们又有什么区别？
　　巨大的星系团SDSSJ10044112是一个巨大的物质团，使我们能够探测非常早期的宇宙。如果任何一种能量已经衰变和或转变为另一种，那么对附近和遥远的宇宙进行联合观测将是揭示它的最佳途径。
　　关键要点在最大的宇宙尺度上，主导宇宙膨胀行为的不是原子或光，而是两种看不见的高能成分：暗物质和暗能量。在过去70亿年左右的时间里，暗物质的能量密度急剧下降，而暗能量变得相对更加重要，后者现在主导着宇宙的膨胀速度。这可能是因为暗物质正在衰变成暗能量吗？这是一个大胆的想法，但我们仍可以对其科学价值进行仔细审查。
　　众所周知，当涉及到宇宙的组成时，我们需要知道的是不仅仅是普通物质和辐射才能使宇宙故事相加。通过检查宇宙中所有不同形式的物质和能量，我们知道总和中只有大约5以我们已知的粒子形式出现：原子及其成分、中微子和光子。我们必须从我们的天体物理学观测中推断出其余部分：宇宙微波背景、宇宙的大尺度结构和遥远的河外探测器。当我们这样做时，我们得出结论，宇宙中所有能量的27以某种形式的不可见、聚集的暗物质存在，其余68均匀分布在整个空间：暗能量。没有这两种额外的成分，宇宙就不会变成今天这样。
　　暗物质的减少与暗能量的增加有关，这不是很明显吗？如果我们看到宇宙发展的时间表，它看起来像是暗物质的分解或转变可能是暗能量增加的来源。但这样的假设有根据吗？
　　提出一个好的假设所需要的只是一个恰当的问题，这就是。关键的一步是看它如何经得起审查。
　　虽然暗物质网络（紫色，左）似乎可以自行决定宇宙结构的形成，但正常物质（红色，右）的反馈会严重影响银河系的尺度。暗物质和正常物质都需要以正确的比例来解释我们观察到的宇宙。中微子无处不在，但标准的轻中微子不能解释暗物质的大部分（甚至很大一部分）。
　　首先，我们必须了解暗物质和暗能量到底是什么。暗物质的行为就像普通物质一样，有一个很大的例外：据我们所知，它不通过标准模型中存在的任何力相互作用。如果你将一个巨大的、孤立的暗物质团块和一个等质量、等体积的正常物质团块分别放入我们的宇宙中，这就是会发生的事情。
　　它们都会受到同等的引力，在不断膨胀的宇宙中被束缚并形成一个巨大的结构。每一个单独的粒子无论是暗物质还是普通物质都会在相等的距离处受到相等的引力，并围绕这个巨大的团块的中心完成一个椭圆轨道。以引力相互作用的单个粒子会通过它们之间的相互引力交换线性动量和角动量，将更多的物质扔到中心区域，而在外围的物质则少一些。
　　就引力而言，没有区别。但是当我们考虑非引力效应时，差异就变得明显了。
　　各种碰撞星系团的X射线（粉红色）和整体物质（蓝色）图显示正常物质和引力效应之间的明显分离，这是暗物质存在的一些最有力证据。X射线有两种类型，软（低能量）和硬（高能量），其中星系碰撞会产生超过数十万度的温度。同时，引力效应（蓝色）偏离正常物质（粉色）的质量位置这一事实表明暗物质一定存在。
　　正常物质，正如你可以通过简单地拍手证实的那样，与其他正常物质粒子发生非弹性碰撞。这意味着粒子不会像暗物质那样相互穿过，但在碰撞时会释放动量和角动量，并在此过程中释放热量和其他形式的能量。
　　正常物质对大多数波长的光都是不透明的。相反，它吸收某些频率和波长的光，同时反射其他频率和波长的光。这意味着普通物质既可以发射也可以吸收光，从而可以交换能量、动量和角动量，也可以通过碰撞冷却和加热。
　　最后，还有正常物质可以经历的结合反应。电子和原子核结合在一起形成原子、分子和更大、更复杂的结构。如果将足够多的它们聚集在一起，高温和高压会引发核反应。
　　总的来说，这些力累积起来导致正常物质聚集在比暗物质小得多、集中的空间体积中，而暗物质仍然分布在大的、蓬松的、类似光环的结构中。
　　我们的银河系嵌在一个巨大的、弥漫的暗物质晕中，这表明一定有暗物质在太阳系中流动。虽然暗物质存在于一个大的、弥漫的光晕中，但正常物质，因为它经历了电磁和碰撞相互作用，在这些引力势井的中心聚集在一起。暗物质和正常物质之间的相互作用对于理解单个星系内的质量分布至关重要
　　然而，由于暗物质和普通物质的行为都好像是由粒子构成的，因此随着宇宙膨胀，它们会发生一些有趣的事情：它们的密度下降。密度只是某物除以它所占据的体积，所以只要某物是固定的，就像一些粒子的密度就会随着体积的膨胀而稀释。体积加倍，密度减半。增加到原始体积的十倍，密度仅为最初的10。对于普通物质和暗物质，随着体积的增加，数密度和能量密度都成比例地减小。
　　另一方面，暗能量以一种根本不同的方式表现。尽管在太空背景下存在其他形式的能量，但暗能量的行为就好像它是空间本身固有的一种能量形式。暗能量是否来自：
　　真空的量子零点能量，广义相对论中的宇宙学常数项，或者某种与空间本身密不可分的领域，对我们的考虑并不重要。重要的是暗能量的行为方式：即使宇宙膨胀，即使体积增加，暗能量的能量密度也保持不变。
　　虽然物质（正常和黑暗）和辐射由于体积增加而随着宇宙膨胀而变得不那么密集，但暗能量以及膨胀期间的场能是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度保持不变。
　　这为我们提供了一个框架，可以将我们的标准宇宙概念与此处考虑的替代概念进行比较。
　　在标准情景中，大爆炸伴随着一定量的辐射、中微子、正常物质、暗物质和暗能量中的每一种发生。随着宇宙膨胀和冷却，体积增加，单个量子失去动能。这导致每个物种的能量密度相对于彼此发生变化。辐射和中微子最初占主导地位，但它们的密度下降最快。结果，暗物质和普通物质后来上升成为主导，但它们的密度也下降了。只有在大约7亿年后，它们的密度才降到足够低的值，以至于密度始终保持恒定的暗能量的影响最终开始显现。
　　随着时间的流逝，由粒子构成的一切物质辐射、中微子、正常物质和暗物质的密度将继续下降，但暗能量的密度保持不变。这意味着我们有两种方式来思考宇宙是如何变化的。
　　宇宙能量密度的各种组成部分和贡献者，以及它们何时可能占主导地位。请注意，大约在头9，000年里，辐射对物质占主导地位，然后物质占主导地位，最后出现宇宙常数。（其他的数量不多。）中微子首先表现为辐射，然后才表现为物质。然而，暗能量可能不是宇宙学常数，确切地说，如果我们错误地假设了它的性质，它可能会演化。
　　在第一种情况下，我们可以简单地查看宇宙中存在的各种能量的相对能量密度。（我们甚至可以加入假设的物种，例如宇宙弦和磁畴壁，以了解如果它们确实存在会如何表现。）这就是上面的图表所显示的：空间任何区域的绝对能量密度。不同物种的能量密度下降速度不同，但都随时间下降。唯一的例外是暗能量，它预计将保持不变：与观察结果保持一致的预期。
　　然而，我们可以通过相对能量密度的思考来概念化宇宙中的事物，而不是考虑绝对密度。在我们宇宙的宇宙历史中的任何时刻，我们都可以问这个问题，每个单独的物种占总能量密度的百分比或分数是多少？在这种情况下，总能量密度总是加起来为100，但每个物种的相对值将随着宇宙的膨胀而演变，因为不同的物种对膨胀的宇宙有不同的依赖性。这种思路的结果如下图所示。
　　过去不同时期宇宙中不同能量成分的相对重要性。请注意，当暗能量在未来达到接近100的数字时，宇宙的能量密度（以及因此的膨胀率）将在任意远的时间之前保持恒定。由于暗能量，遥远的星系已经在加速远离我们的明显衰退速度。
　　现在，我们终于准备考虑另一种情况：如果暗物质正在转化为暗能量怎么办？
　　这是一个有趣的考虑，因为它会改变我们迄今为止告诉自己的整个故事。这意味着，随着时间的推移，暗物质的某些部分会衰变，这意味着不仅暗物质密度会下降，而且比正常物质密度下降的幅度要大得多。一些最初的暗物质会衰变掉，因此暗物质与正常物质的比率应该会随着时间的推移而降低。
　　这也意味着，随着时间的推移，宇宙中的暗能量实际上会增加。这不仅代表暗能量相对密度的增加，而且代表绝对密度的增加。如果暗物质衰变成暗能量，那么无论暗物质衰变损失多少能量，都必须及时与暗能量能量的增加相匹配。因此，随着时间的推移，暗能量的能量密度会增加。
　　宇宙中最大规模的观测，从宇宙微波背景到宇宙网到星系团再到单个星系，都需要暗物质来解释我们观察到的东西。在早期和晚期，都需要相同的5比1的暗物质与正常物质的比例。
　　我们测试前者的方法是将我们在宇宙中观察到的结构与标准情景和替代情景进行比较，该结构错综复杂地取决于正常物质和暗物质的丰度。如果在早期，相对于正常物质存在更多的暗物质，那么我们就会在宇宙大爆炸的残余辉光中看到证据：宇宙微波背景。
　　这张宇宙快照，即使我们今天正在观察它，也来自大爆炸后仅380，000年发出的光。如果当时暗物质与正常物质的比例更大大于我们今天在星系、星系团和宇宙网中观察到的5比1的比例它会以偶数的比例出现宇宙微波背景温度缺陷中的奇数峰。
　　但这是我们已经精确测量过的东西，数据也很明确：在非常早期的宇宙中，暗物质与正常物质的比例也绝对是5比1。事实上，我们对修正引力理论的限制之一即试图在没有暗物质的情况下解释我们观察到的宇宙的理论是有效的暗物质与正常物质的比率不允许改变：这是一个巨大的问题，例如，ErikVerlinde的涌现熵引力理论。
　　虽然我们可以测量整个天空的温度变化，但不同角度尺度上温度波动的相对幅度告诉我们大约138亿年前暗物质与正常物质的比例是多少：与我们拥有的相同的5比1比例今天。
　　我们还可以通过复杂地测量不同宇宙时期的膨胀率，看看是否有证据表明年轻宇宙中的暗能量数量与现代晚期宇宙不同。
　　有趣的是，事实证明，这与我们的预期有一点出入！如果我们从今天开始并及时向后测量，我们会发现今天的宇宙以特定的速度膨胀，主要由暗能量主导。如果我们从最早的印记信号开始并测量它们如何及时向前演化，我们就会得到一个不同的、更小的值来衡量宇宙在今天是如何膨胀的。
　　逐渐增加的暗能量值能否解释这一观察结果？
　　这是一个诱人的可能性，但事实证明，这与我们匹配观察所需的恰恰相反。如果我们早期拥有比今天更多的暗能量一种部分衰减掉的早期暗能量这可能有助于解决围绕膨胀宇宙的难题。如果我们反而要求暗能量随着时间的推移变得更强，我们只会让这个谜题变得更糟。
　　来自距离阶梯（红色）的现代测量张力与来自CMB和BAO（蓝色）的早期信号数据显示对比。早期信号方法似乎是正确的，距离阶梯存在根本缺陷；早期信号方法存在小规模误差并且距离阶梯是正确的，或者两组都是正确的并且某种形式的新物理学（如顶部所示）是罪魁祸首，这似乎是合理的。存在早期暗能量的想法很有趣，但这意味着早期暗能量更多，而不是更少。
　　相对于暗能量，暗物质在宇宙中确实在减少，但这不能解释为暗物质正在衰变或转化为暗能量。相反，证据向我们表明：暗物质与正常物质的比例保持不变，暗物质的相对丰度减少完全是由于宇宙膨胀的事实，暗能量的总能量密度似乎不随时间变化，而是保持不变，因此，随着宇宙的膨胀，暗能量只会变得相对更重要，而不是绝对更有活力。
　　不管你信不信，当我们考虑一个新的科学思想、假设或理论时，这正是我们想要的：一组清晰的预测，以可观察、可测量、可测试的方式与宇宙相关联。在这种情况下，这些预测没有成功，我们可以对暗物质衰变的程度（最多不到10）以及暗能量的总密度增加的程度进行有意义的限制（最多超过宇宙历史的7）。
　　相对于暗能量，暗物质在宇宙中变得不那么丰富，但一旦你考虑到宇宙是如何膨胀的，这些相对变化的量就不需要进一步修改了。关于暗物质和暗能量，可能还有很多东西需要了解，但一个到另一个的衰变并不是我们迄今为止看到的所有现象的原因。
　　2022生机大会