暗物质和暗能量之间有相互作用吗？根据爱因斯坦的引力理论、Friedmann标准宇宙模型展开探索
文/兰子记
编/兰子记
威尔金森微波各向异性探测器的观测结果告诉我们，星系、恒星、气体和尘埃等可见物质只占宇宙总能量密度的4%，大部分由暗物质(23%)和暗能量 (73%)构成。
暗物质既不发光，也不反射光，但是有显著的引力效应。中微子就是一种暗物质粒子，然而它在暗物质的总量中只占了十分微小的比例，绝大多数暗物质是冷暗物质。
理论物理学家猜测，冷暗物质可能是轴子和中性伴随子。暗能量则具有正的能量密度和负压强，因而它的状态方程不同于普通物质的状态方程。
尤其是暗能量的压强是负的，从而导致它会产生一种排斥力来驱动宇宙加速膨胀。近年来，人们提出了许多种暗能量的理论模型，最常见的有宇宙常数模型、quintessence、phantom 和tachyon 等标量场模型。
普通物质之间存在相互作用，暗物质和暗能量之间有相互作用吗？
如果存在相互作用，它是如何产生？本质是什么，又会产生哪些新的观测效应？
根据爱因斯坦的引力理论和Friedmann标准宇宙模型，暗物质和暗能量的能量密度随宇宙时间的演化并不相同。今天要想让它们处于在同一数量级上，就必须在宇宙早期精调(fine-tune)暗能量密度到一个难以接受的程度。
如果暗物质和暗能量之间存在相互作用，巧合性问题则有望得以解决。因为在它们之间的相互作用下，暗物质和暗能量的能量密度随时间的变化不仅取决于它们独自的演化，而且还取决于它们之间的相互转化。
如果暗物质的能量密度随时间的衰减比暗能量的要快，那么通过它们之间的相互作用，可以使暗能量转化为暗物质的数量比暗物质转化为暗能量的要多。
即从总体效果来讲，是暗能量转化为暗物质。反之，若是暗物质的能量密度随时间的衰减比暗能量的要慢，则总体效果是暗物质转化为暗能量。从而使今天的暗物质和暗能量的能量密度保持在同一个数量级上。
宇宙在任何红移时的年龄应该比它包含的星体的年龄要大。但是许多暗能量模型在这一点上却遭遇到了一些古老星体的挑战。例如，据天文观测，类星体 APM08279+5255 在红移为 z = 3.91 时的年龄为 21 亿年。
但是根据常用的宇宙常数−冷暗物质模型，算出宇宙在 z = 3.9 时的年龄只有 16 亿年。这意味着宇宙在当时的年龄竟然比类星体 APM08279+5255 的要小！
近年，人们发现当耦合参数取适当值时，类星体 APM08279+5255 在红移为 z = 3.91 时的年龄比宇宙在当时的年龄要小。
他们的研究成果为解决这类古老的类星体的年龄问题提供了一个新的尝试。理论分析表明暗能量和暗物质之间的相互作用会改变宇宙微波背景温度各向异性中声学峰的位置和度。
此外，它还会影响大尺度时背景光子穿越随时间变化的引力势阱时产生的 IntegratedSachs-Wolfe(ISW)效应。
因此，我们可以利用宇宙微波背景辐射、重子声学振荡以及超新星等天文观测数据来判断暗能量和暗物质之间是否存在相互作用。同时还可以进一步限定其中的耦合参数。
研究结果显示相互作用的暗能量模型与观测数据吻合相当好，对耦合参数的限定结果也表明在一个标准方差(1σ )的置信区间内，我们完全可以相信暗能量和暗物质之间转化的总体效果是从暗能量转化为暗物质。
尽管暗物质和暗能量之间相互作用的研究取得了一些可喜的进展，但还存在许多问题。
首先，暗物质和暗能量之间的相互作用的具体形式是什么？由于人们还未弄清楚暗物质和暗能量的本质，因此人们研究所采用的相互作用形式绝大多数都是唯象的，而且形式也多种多样。这些相互作用形式都被假设为暗能量和暗物质的能量密度的函数。
但是人们对形成这种相互作用形式的物理机制不是十分清楚。最近，人们已经开始尝试着从物理上构建暗物质和暗能量之间的耦合项形式。例如，有人从热力学角度研究了全息暗能量和暗物质之间的相互作用。他们假设相互作用是平衡态上的涨落，并利用热力学涨落产生的对平衡态熵的对数修正，构建出了相互作用的物理表述。
此外，从场论的观点出发，Amendola等应用quintessence场与普通的标量场之间耦合，讨论了暗物质和暗能量之间的相互作用。Micheletti 等还给出一个描述暗物质和暗能量之间的相互作用的Lagrangian量，其中暗物质用费米场来表示，暗能量用玻色场来描述。
从Lagrangian量出发，他们得到了一个暗物质和暗能量之间的相互作用形式，并且它的形式与常用的唯象耦合形式非常相似。
这些尝试对研究暗物质和暗能量之间的相互作用是非常有意义的。然而要想真正理解暗物质和暗能量之间的相互作用，归根到底，我们还须弄清楚暗物质和暗能量的本质。
