宇宙学家表示，他们已经发现了古代光线在宇宙中传播方式中一种有趣的扭曲迹象，这可能为了解暗能量的本质提供线索——暗能量是一种神秘的力量，似乎正在推动宇宙加速膨胀。
他们认为，光线的扭曲（他们在普朗克空间望远镜收集的宇宙微波背景 (CMB) 数据中识别出的）和宇宙的加速膨胀可能是由宇宙“第五元素”产生的，这是一种弥漫在宇宙中的奇异物质。 这样的发现将需要对当前的理论进行重大修正，物理学家警告说，证据是初步的——它不符合用于确定信号是否为发现的“5 西格玛”阈值。 但这突显了一个事实，即现代宇宙学仍然对宇宙的内容有一个不完整的认识。
加州理工学院帕萨迪纳分校的理论物理学家肖恩·卡罗尔说，如果暗能量是第五元素，那么它对膨胀的推动力可能会缓慢减弱或消失，甚至可能反转为吸引力，导致宇宙坍缩成“大挤压”。 “我们又回到了对宇宙将如何终结一无所知的境地。” 这项工作于 11 月 23 日在《物理评论快报》上报道。
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第五元素
1998 年，来自两项独立的超新星调查首次直接证明有一种未知的力量正在推动宇宙加速膨胀。 此后，许多其他研究证实了这种被称为暗能量的力量的存在，但关于其本质的信息却少之又少。
研究人员的第一个猜测——仍然是主要的理论——是暗能量是空间的一种内在属性，这意味着单位空间体积的暗能量量是固定的，即“宇宙学常数”。 但一些宇宙学家推测，暗能量是由完全不同的东西组成的。 他们称之为第五元素场，以第五元素或以太命名——古希腊哲学家给这种被认为充满宇宙所有空间的一种不可见物质起的名字。
达特茅斯学院位于新罕布什尔州汉诺威的宇宙学家罗伯特·考德威尔说，与宇宙学常数不同，第五元素“是一种有形的介质，它有自己的涨落”，他是最早提出这种物质存在的研究人员之一。 考德威尔补充说，第五元素可能具有介于物质和宇宙学常数之间的属性。 随着宇宙的膨胀，宇宙学常数将保持恒定的密度，而第五元素的密度会降低——尽管不如物质的密度下降得快，物质的密度会随着星系的扩散而下降。
1998 年，卡罗尔根据第五元素会改变光在空间中传播方式的预测，提出了一个第五元素的实验测试。 由理论物理学家马克·卡米昂科夫斯基领导的一个小组（他现在在马里兰州巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学）随后计算了如何在 CMB 中测量这种效应，CMB 是通常被描述为大爆炸余辉的原始辐射。 研究人员认为，可以通过观察整个 CMB 的偏振光图来检测第五元素的迹象。 当光的电场在一个特定方向而不是随机方向“摆动”时，光就会被偏振。 该理论认为，第五元素会扭曲偏振指向的方向，这可以通过观察整个天空的偏振来检测到。
现在，两位宇宙学家——日本筑波市高能加速器研究机构 (KEK) 的 Minami Yuto 和德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的 Eiichiro Komatsu——已经在欧洲空间局普朗克任务的数据中识别出了 CMB 信号，该任务于 2013 年结束。
普朗克的主要目的是绘制整个天空 CMB 温度的微小变化图，但该任务也测量了辐射的偏振。 Minami 和 Komatsu 使用他们去年报告的一种新技术检测到了第五元素的迹象。 新泽西州普林斯顿大学的物理学家 Suzanne Staggs 说，他们的结果与其他研究 CMB 偏振图（包括普朗克的偏振图）但未发现扭曲的小组的结果不同。 Staggs 的团队使用阿塔卡玛宇宙学望远镜 (ACT) 在智利测量 CMB 辐射。 Staggs 的团队计划在 ACT 数据上试用 Minami 和 Komatsu 的技术。“我们有兴趣探索它，”她说。
意义重大
英国剑桥大学普朗克首席宇宙学家乔治·埃夫斯塔西欧说，这篇论文是“相当不错的分析”，但普朗克信号中的噪声可能是一个复杂的因素。
理论家们也以谨慎的态度回应。“如果它是真的，那就意义重大，”卡罗尔说。 但他指出，结果的统计显著性——仅为 2.5 西格玛——很弱，并表示这样的结果通常会在进一步审查后消失。
卡米昂科夫斯基表示同意。“我认为在过于激动之前，我们可能需要非常仔细地检查所有这些，”他说。 他补充说，第五元素的存在不仅对宇宙学有影响，而且对基础物理学也有影响：粒子物理学的标准模型没有预测任何类型的第五元素。
其他旨在比以往任何时候都更精确地绘制 CMB 偏振图的工作正在进行中，并将对第五元素进行严格的测试。 这些项目包括西蒙斯天文台（另一个正在阿塔卡玛沙漠中建立的 CMB 实验）和一个未来的日本主导的空间探测器 LiteBIRD。
如果第五元素确实被证明是一种解释，它将对宇宙特征的最佳估计产生连锁反应，包括宇宙的年龄，这可能比宇宙学家根据普朗克数据计算出的 138 亿年要年轻一些。 它还可以帮助解释为什么 CMB 数据预测宇宙的膨胀速度应该比目前观察到的速度慢。“他们所立足的岩石是宇宙学常数。 如果你改变那块岩石，可能会对其他一切产生影响，”考德威尔说。
本文经许可转载，并于2020 年 11 月 24 日首次发表。