暗物質和暗能量之間有互相作用嗎？根據愛因斯坦的引力理論、Friedmann标準宇宙模型展開探索
文/蘭子記
編/蘭子記
威爾金森微波各向異性探測器的觀測結果告訴我們，星系、恒星、氣體和塵埃等可見物質隻占宇宙總能量密度的4%，大部分由暗物質(23%)和暗能量 (73%)構成。
暗物質既不發光，也不反射光，但是有顯著的引力效應。中微子就是一種暗物質粒子，然而它在暗物質的總量中隻占了十分微小的比例，絕大多數暗物質是冷暗物質。
理論實體學家猜測，冷暗物質可能是軸子和中性伴随子。暗能量則具有正的能量密度和負壓強，因而它的狀态方程不同于普通物質的狀态方程。
尤其是暗能量的壓強是負的，進而導緻它會産生一種排斥力來驅動宇宙加速膨脹。近年來，人們提出了許多種暗能量的理論模型，最常見的有宇宙常數模型、quintessence、phantom 和tachyon 等标量場模型。
普通物質之間存在互相作用，暗物質和暗能量之間有互相作用嗎？
如果存在互相作用，它是如何産生？本質是什麼，又會産生哪些新的觀測效應？
根據愛因斯坦的引力理論和Friedmann标準宇宙模型，暗物質和暗能量的能量密度随宇宙時間的演化并不相同。今天要想讓它們處于在同一數量級上，就必須在宇宙早期精調(fine-tune)暗能量密度到一個難以接受的程度。
如果暗物質和暗能量之間存在互相作用，巧合性問題則有望得以解決。因為在它們之間的互相作用下，暗物質和暗能量的能量密度随時間的變化不僅取決于它們獨自的演化，而且還取決于它們之間的互相轉化。
如果暗物質的能量密度随時間的衰減比暗能量的要快，那麼通過它們之間的互相作用，可以使暗能量轉化為暗物質的數量比暗物質轉化為暗能量的要多。
即從總體效果來講，是暗能量轉化為暗物質。反之，若是暗物質的能量密度随時間的衰減比暗能量的要慢，則總體效果是暗物質轉化為暗能量。進而使今天的暗物質和暗能量的能量密度保持在同一個數量級上。
宇宙在任何紅移時的年齡應該比它包含的星體的年齡要大。但是許多暗能量模型在這一點上卻遭遇到了一些古老星體的挑戰。例如，據天文觀測，類星體 APM08279+5255 在紅移為 z = 3.91 時的年齡為 21 億年。
但是根據常用的宇宙常數−冷暗物質模型，算出宇宙在 z = 3.9 時的年齡隻有 16 億年。這意味着宇宙在當時的年齡竟然比類星體 APM08279+5255 的要小！
近年，人們發現當耦合參數取适當值時，類星體 APM08279+5255 在紅移為 z = 3.91 時的年齡比宇宙在當時的年齡要小。
他們的研究成果為解決這類古老的類星體的年齡問題提供了一個新的嘗試。理論分析表明暗能量和暗物質之間的互相作用會改變宇宙微波背景溫度各向異性中聲學峰的位置和度。
此外，它還會影響大尺度時背景光子穿越随時間變化的引力勢阱時産生的 IntegratedSachs-Wolfe(ISW)效應。
是以，我們可以利用宇宙微波背景輻射、重子聲學振蕩以及超新星等天文觀測資料來判斷暗能量和暗物質之間是否存在互相作用。同時還可以進一步限定其中的耦合參數。
研究結果顯示互相作用的暗能量模型與觀測資料吻合相當好，對耦合參數的限定結果也表明在一個标準方差(1σ )的置信區間内，我們完全可以相信暗能量和暗物質之間轉化的總體效果是從暗能量轉化為暗物質。
盡管暗物質和暗能量之間互相作用的研究取得了一些可喜的進展，但還存在許多問題。
首先，暗物質和暗能量之間的互相作用的具體形式是什麼？由于人們還未弄清楚暗物質和暗能量的本質，是以人們研究所采用的互相作用形式絕大多數都是唯象的，而且形式也多種多樣。這些互相作用形式都被假設為暗能量和暗物質的能量密度的函數。
但是人們對形成這種互相作用形式的實體機制不是十厘清楚。最近，人們已經開始嘗試着從實體上建構暗物質和暗能量之間的耦合項形式。例如，有人從熱力學角度研究了全息暗能量和暗物質之間的互相作用。他們假設互相作用是平衡态上的漲落，并利用熱力學漲落産生的對平衡态熵的對數修正，建構出了互相作用的實體表述。
此外，從場論的觀點出發，Amendola等應用quintessence場與普通的标量場之間耦合，讨論了暗物質和暗能量之間的互相作用。Micheletti 等還給出一個描述暗物質和暗能量之間的互相作用的Lagrangian量，其中暗物質用費米場來表示，暗能量用玻色場來描述。
從Lagrangian量出發，他們得到了一個暗物質和暗能量之間的互相作用形式，并且它的形式與常用的唯象耦合形式非常相似。
這些嘗試對研究暗物質和暗能量之間的互相作用是非常有意義的。然而要想真正了解暗物質和暗能量之間的互相作用，歸根到底，我們還須弄清楚暗物質和暗能量的本質。
