宇宙學家們發現了跡象，表明第二種型別的暗能量——這種普遍存在但又神秘的物質正在推動當前宇宙的加速膨脹——可能存在於大爆炸後的最初30萬年。
過去一週，兩項獨立研究——均釋出在 arXiv 預印本伺服器上——在 阿塔卡瑪宇宙學望遠鏡 (ACT) 在智利於 2013 年至 2016 年間收集的資料中，初步探測到了這種“早期暗能量”的痕跡。如果這些發現得到證實，它們可能有助於解決長期以來關於早期宇宙資料的難題，這些資料似乎與今天測量的 宇宙膨脹速率不相容。但這些資料是初步的，並沒有明確顯示這種形式的暗能量是否真的存在。
“有很多理由要謹慎對待，不要將其視為新物理學的發現，”巴黎天體物理研究所的宇宙學家 Silvia Galli 說。
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兩篇預印本的作者——一篇由 ACT 團隊釋出，另一篇由一個獨立小組釋出——承認資料強度尚不足以高置信度地探測到早期暗能量。但他們表示，來自 ACT 和另一個天文臺——南極望遠鏡的進一步觀測可能很快會提供更嚴格的檢驗。“如果這真的是真的——如果早期宇宙真的具有早期暗能量——那麼我們應該會看到一個強烈的訊號，”ACT 團隊論文的合著者 Colin Hill 說，他也是紐約市哥倫比亞大學的宇宙學家。
繪製 CMB 圖
ACT 和南極望遠鏡都旨在繪製宇宙微波背景 (CMB) 圖，宇宙微波背景是原始輻射，有時被描述為大爆炸的餘輝。CMB 是宇宙學家理解宇宙的支柱之一。透過繪製 CMB 在天空中的細微變化，研究人員找到了令人信服的證據來支援“宇宙學標準模型”。該模型描述了一個包含三種主要成分的宇宙的演化：暗能量；同樣神秘的暗物質，它是星系形成的主要原因；以及普通物質，普通物質佔宇宙總質量和能量的不到 5%。
當前最先進的 CMB 圖是由歐洲航天局的普朗克任務提供的，該任務在 2009 年至 2013 年間處於活動狀態。基於普朗克資料的計算預測——假設宇宙學標準模型是正確的——宇宙現在的膨脹速度應該有多快。但過去十年左右，基於超新星爆發和其他技術的對宇宙膨脹的越來越精確的測量發現，宇宙膨脹速度要快 5-10%。
理論家們提出了大量對標準模型的修改，以解釋這種差異。兩年前，馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學的宇宙學家馬克·卡米昂科夫斯基和他的合作者為標準模型提出了一個額外的成分。他們的“早期暗能量”——更精確地表達了他們和其他團隊多年來一直在研究的想法——將是一種流體，它在大爆炸後的幾十萬年內滲透到宇宙中並逐漸消失。“這不是一個有說服力的論點，但這是我們唯一能使其工作的模型，”卡米昂科夫斯基說。
早期暗能量的強度不足以引起加速膨脹，就像“普通”暗能量目前正在做的那樣。但這會導致從大爆炸中產生的等離子體比原本應有的速度更快地冷卻下來。這將影響 CMB 資料的解讀方式——尤其是在根據聲波在等離子體冷卻成氣體之前能夠傳播多遠來測量宇宙年齡及其膨脹速率時。普朗克和類似的觀測站使用這種轉變後留在天空中的特徵來進行此類計算。
最新的兩項研究發現，ACT 的 CMB 偏振圖比標準模型更符合包含早期暗能量的模型。Hill 說，基於早期暗能量模型和 ACT 資料解讀 CMB 意味著宇宙現在有 124 億年的歷史，比使用標準模型計算出的 138 億年年輕約 11%。相應地，當前的膨脹速度將比標準模型預測的快約 5%——更接近天文學家今天計算出的速度。
不一致性仍然存在
Hill 說，他以前對早期暗能量持懷疑態度，他團隊的發現讓他感到驚訝。法國蒙彼利埃大學的天體物理學家 Vivian Poulin 是第二項基於 ACT 資料的研究的合著者，他說他的團隊的分析與 ACT 團隊自身的分析結果一致，這令人欣慰。“主要作者是非常非常強硬、保守的人，他們真正理解資料和測量結果，”卡米昂科夫斯基說。
但 Galli 警告說，ACT 資料似乎與她參與的普朗克團隊的計算結果不一致。雖然 ACT 的偏振資料可能支援早期暗能量，但不清楚其另一主要資料集——CMB 溫度圖——是否顯示出這種偏好。她補充說，出於這些原因，使用南極望遠鏡（她也是該實驗的一部分）交叉檢查結果至關重要。
芝加哥大學的天文學家溫迪·弗裡德曼參與了一些最精確的宇宙膨脹測量，她說基於 ACT 的結果很有趣，即使是初步的。“重要的是要研究不同的模型”並將它們與標準模型進行比較，她說。
本文經許可轉載，並於 2021 年 9 月 17 日 首次發表。