宇宙學家表示，他們已經發現了古代光線在宇宙中傳播方式中一種有趣的扭曲跡象，這可能為了解暗能量的本質提供線索——暗能量是一種神秘的力量，似乎正在推動宇宙加速膨脹。
他們認為，光線的扭曲（他們在普朗克空間望遠鏡收集的宇宙微波背景 (CMB) 資料中識別出的）和宇宙的加速膨脹可能是由宇宙“第五元素”產生的，這是一種瀰漫在宇宙中的奇異物質。 這樣的發現將需要對當前的理論進行重大修正，物理學家警告說，證據是初步的——它不符合用於確定訊號是否為發現的“5 西格瑪”閾值。 但這突顯了一個事實，即現代宇宙學仍然對宇宙的內容有一個不完整的認識。
加州理工學院帕薩迪納分校的理論物理學家肖恩·卡羅爾說，如果暗能量是第五元素，那麼它對膨脹的推動力可能會緩慢減弱或消失，甚至可能反轉為吸引力，導致宇宙坍縮成“大擠壓”。 “我們又回到了對宇宙將如何終結一無所知的境地。” 這項工作於 11 月 23 日在《物理評論快報》上報道。
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第五元素
1998 年，來自兩項獨立的超新星調查首次直接證明有一種未知的力量正在推動宇宙加速膨脹。 此後，許多其他研究證實了這種被稱為暗能量的力量的存在，但關於其本質的資訊卻少之又少。
研究人員的第一個猜測——仍然是主要的理論——是暗能量是空間的一種內在屬性，這意味著單位空間體積的暗能量量是固定的，即“宇宙學常數”。 但一些宇宙學家推測，暗能量是由完全不同的東西組成的。 他們稱之為第五元素場，以第五元素或以太命名——古希臘哲學家給這種被認為充滿宇宙所有空間的一種不可見物質起的名字。
達特茅斯學院位於新罕布什爾州漢諾威的宇宙學家羅伯特·考德威爾說，與宇宙學常數不同，第五元素“是一種有形的介質，它有自己的漲落”，他是最早提出這種物質存在的研究人員之一。 考德威爾補充說，第五元素可能具有介於物質和宇宙學常數之間的屬性。 隨著宇宙的膨脹，宇宙學常數將保持恆定的密度，而第五元素的密度會降低——儘管不如物質的密度下降得快，物質的密度會隨著星系的擴散而下降。
1998 年，卡羅爾根據第五元素會改變光在空間中傳播方式的預測，提出了一個第五元素的實驗測試。 由理論物理學家馬克·卡米昂科夫斯基領導的一個小組（他現在在馬里蘭州巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學）隨後計算瞭如何在 CMB 中測量這種效應，CMB 是通常被描述為大爆炸餘輝的原始輻射。 研究人員認為，可以透過觀察整個 CMB 的偏振光圖來檢測第五元素的跡象。 當光的電場在一個特定方向而不是隨機方向“擺動”時，光就會被偏振。 該理論認為，第五元素會扭曲偏振指向的方向，這可以透過觀察整個天空的偏振來檢測到。
現在，兩位宇宙學家——日本筑波市高能加速器研究機構 (KEK) 的 Minami Yuto 和德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的 Eiichiro Komatsu——已經在歐洲空間局普朗克任務的資料中識別出了 CMB 訊號，該任務於 2013 年結束。
普朗克的主要目的是繪製整個天空 CMB 溫度的微小變化圖，但該任務也測量了輻射的偏振。 Minami 和 Komatsu 使用他們去年報告的一種新技術檢測到了第五元素的跡象。 新澤西州普林斯頓大學的物理學家 Suzanne Staggs 說，他們的結果與其他研究 CMB 偏振圖（包括普朗克的偏振圖）但未發現扭曲的小組的結果不同。 Staggs 的團隊使用阿塔卡瑪宇宙學望遠鏡 (ACT) 在智利測量 CMB 輻射。 Staggs 的團隊計劃在 ACT 資料上試用 Minami 和 Komatsu 的技術。“我們有興趣探索它，”她說。
意義重大
英國劍橋大學普朗克首席宇宙學家喬治·埃夫斯塔西歐說，這篇論文是“相當不錯的分析”，但普朗克訊號中的噪聲可能是一個複雜的因素。
理論家們也以謹慎的態度回應。“如果它是真的，那就意義重大，”卡羅爾說。 但他指出，結果的統計顯著性——僅為 2.5 西格瑪——很弱，並表示這樣的結果通常會在進一步審查後消失。
卡米昂科夫斯基表示同意。“我認為在過於激動之前，我們可能需要非常仔細地檢查所有這些，”他說。 他補充說，第五元素的存在不僅對宇宙學有影響，而且對基礎物理學也有影響：粒子物理學的標準模型沒有預測任何型別的第五元素。
其他旨在比以往任何時候都更精確地繪製 CMB 偏振圖的工作正在進行中，並將對第五元素進行嚴格的測試。 這些專案包括西蒙斯天文臺（另一個正在阿塔卡瑪沙漠中建立的 CMB 實驗）和一個未來的日本主導的空間探測器 LiteBIRD。
如果第五元素確實被證明是一種解釋，它將對宇宙特徵的最佳估計產生連鎖反應，包括宇宙的年齡，這可能比宇宙學家根據普朗克資料計算出的 138 億年要年輕一些。 它還可以幫助解釋為什麼 CMB 資料預測宇宙的膨脹速度應該比目前觀察到的速度慢。“他們所立足的岩石是宇宙學常數。 如果你改變那塊岩石，可能會對其他一切產生影響，”考德威爾說。
本文經許可轉載，並於2020 年 11 月 24 日首次發表。