宇宙常数与恒星形成:基于SP21模型的平行宇宙理论探究

葫芦科普 2024-11-17 18:57:55

在人类对宇宙无尽奥秘的探求中,外星生命的存在一直是科学探索和幻想文学共同痴迷的话题。天文学家弗兰克·德雷克于上世纪60年代提出的德雷克方程,像是向这片神秘宇宙发出的一份问卷,试图评估在银河系中探测到外星文明的可能性。虽然德雷克方程并非铁板一块的科学定律,并与我们目前缺乏此类生命证据的矛盾——即费米悖论——相对应。德雷克方程关注在银河系中找到外星生命的几率,它主要与我们星系中恒星数量挂钩,因为外星人理论上需要一个恒星系统孕育生命,并提供进化所需的能量,尽管这一点也存在争议。

但在本周三(11月13日)发表在《皇家天文学会月刊》上的新研究中,研究人员将这个想法扩展到了多元宇宙的规模,通过计算不同平行宇宙中暗能量密度的差异可能如何影响不同平行宇宙中可以形成多少恒星。

该模型揭示了一个宇宙中暗能量的最佳密度可以使多达27%的非暗物质转化为恒星。但在我们的宇宙中,转化为恒星的这类物质的比例是23%,这意味着恒星更少,因此外星人出现的地方也更少

在这项引人入胜的研究中,科学家们构建了一个新模型,强调了宇宙加速膨胀的重要性,并探索了这一现象如何影响恒星的诞生。他们发现,我们宇宙中的恒星形成效率并非最佳状态,这或许意味着,在某些其他宇宙中,智能生命的出现和进化的机会可能比我们所处的宇宙要大得多。这项研究不仅为我们理解宇宙中生命的起源提供了新的视角,也向我们展示了宇宙常数如何可能决定生命在宇宙中各处的稀缺或普遍。

宇宙常数,是描述宇宙加速膨胀现象的关键参数。而恒星,作为宇宙中的基本组成单元,其形成与演化过程对于理解宇宙的结构和演化具有重要意义。因此,深入探究宇宙常数与恒星形成之间的关系,不仅有助于我们更全面地认识宇宙,还可能为未来的宇宙学研究提供新的思路和方法。

为了深入探究这些问题,研究团队利用了一种先进的解析模型,即SP21模型(由Sorini和Peacock于2021年提出),来模拟宇宙中的恒星形成过程。他们希望通过这个模型,能够更准确地理解恒星形成与宇宙常数之间的关系,从而揭示宇宙中恒星密度的渐近行为。这一研究不仅具有重要的理论价值,还可能对宇宙学的未来发展产生深远影响。

尽管我们已经对宇宙常数有了一定的了解,但其与恒星形成之间的具体关系仍然是一个未解之谜。

SP21模型该模型考虑了多种物理因素,如气体的冷却、恒星的反馈等,从而能够更准确地预测恒星的形成和演化。通过利用这一模型,研究团队希望能够揭示宇宙常数与恒星形成之间的内在联系,进而理解宇宙中恒星密度的渐近行为。

为了实现研究目标,研究团队在SP21模型的基础上进行了扩展和改进。他们考虑了不同的宇宙常数值对恒星形成历史的影响,并进行了大量的模拟计算。这些模拟计算不仅考虑了宇宙常数的变化,还考虑了其他多种物理因素,如气体的密度、温度、压力等,以确保模拟结果的准确性和可靠性。

为了研究这一点,作者构建了一个平坦的宇宙暗物质(CDM)模型集合,其中宇宙学常数的值在0到观测值的100000倍之间变化。这些宇宙在非常高的红移处(即宇宙早期)是无法区分的,因为那时宇宙学常数的影响还不显著。然而,随着宇宙的演化,不同的宇宙学常数导致宇宙的大尺度结构和恒星形成历史产生了显著差异。

在这个框架内,可以想象每一个具有特定宇宙学常数的宇宙都是一个平行宇宙。这些平行宇宙在初始条件下是相同的,但随着时间的推移,它们的发展轨迹因为宇宙学常数的不同而分岔。一些宇宙可能更有利于恒星和星系的形成,而另一些则可能相对贫瘠。

论文还进一步探讨了这些平行宇宙中恒星形成效率的差异。通过引入一个解析模型,作者能够量化不同宇宙学常数下恒星形成的历史,并发现恒星形成效率与宇宙学常数之间存在复杂的关系。特别地,当宇宙学常数较大时,宇宙在较早的时期就开始加速膨胀,这限制了结构增长,从而减少了恒星的形成。相反,在宇宙学常数较小的宇宙中,结构有更多的时间形成和演化,恒星形成效率也相应提高。

他们发现宇宙常数的值对恒星形成过程具有显著的影响。当宇宙常数较大时,宇宙的加速膨胀阶段会提前开始,导致结构形成(如星系和恒星)的过程提前冻结。这意味着恒星形成的截止质量会降低,恒星的数量密度也会相应减少。相反,当宇宙常数较小时,恒星形成的过程会持续更长的时间,恒星的数量密度也会更高。这一发现揭示了宇宙常数与恒星形成之间的内在联系,为我们更全面地认识宇宙提供了有力的支持。

研究团队还发现了一些有趣的物理现象。例如,在一个宇宙常数较大的宇宙中,虽然恒星形成的效率较高,但由于恒星的数量密度极低,因此整体的恒星形成率并不高。而在一个宇宙常数较小的宇宙中,虽然恒星形成的效率相对较低,但由于恒星的数量密度较高,因此整体的恒星形成率反而更高。这一现象表明,恒星形成率不仅取决于恒星形成的效率,还取决于恒星的数量密度。这一发现为我们更深入地理解恒星形成过程提供了新的视角。

此外,研究团队还发现了一些与宇宙常数相关的其他物理现象。他们发现宇宙常数的变化会影响气体的冷却速率和恒星的反馈过程。这些影响进一步加剧了恒星形成过程的复杂性,使得我们需要更加深入地研究这些物理过程以更好地理解恒星形成与宇宙常数之间的关系。

暗能量是一种目前无法识别的物质或力量,它与引力相反,导致时空膨胀而不是自行坍缩。天文学家认为暗能量的存在是因为宇宙的膨胀正在加速,但他们并不清楚它是什么。

不同平行宇宙中这种神秘能量的量将通过影响宇宙膨胀的速度来影响宇宙各自恒星的形成:如果一个宇宙的暗能量比我们的少,它可能会膨胀得更慢,这将通过使引力坍缩大尺度结构(如恒星团、星系或星系超星系团)来减少恒星的形成。但是,如果一个宇宙的暗能量比我们多,它就可以通过更广泛地分散物质并使更多大型恒星形成结构形成来增加恒星的形成。

然而,过多的暗能量会使宇宙膨胀得如此之快,以至于它会通过将物质过于广泛地分散开来,减少恒星形成。因此,新的模型计算了最佳的暗能量密度,以最大化恒星形成的速率,结果发现这略高于我们在我们自己的宇宙中观察到的密度。这意味着在其他宇宙中的智能生命可能比我们在我们自己的宇宙中寻找外星人时更幸运地找到彼此。

研究人员还怀疑,在多元宇宙中,最佳的暗能量密度比其他可能的神秘力量配置更常见,例如我们宇宙的暗能量密度。

研究主要作者、英国杜伦大学的宇宙学家丹尼埃莱·索里尼在第二份声明中说:“我们可能并不生活在一个最有可能的宇宙中!”

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