宇宙学家们发现了迹象，表明第二种类型的暗能量——这种普遍存在但又神秘的物质正在推动当前宇宙的加速膨胀——可能存在于大爆炸后的最初30万年。
过去一周，两项独立研究——均发布在 arXiv 预印本服务器上——在 阿塔卡玛宇宙学望远镜 (ACT) 在智利于 2013 年至 2016 年间收集的数据中，初步探测到了这种“早期暗能量”的痕迹。如果这些发现得到证实，它们可能有助于解决长期以来关于早期宇宙数据的难题，这些数据似乎与今天测量的 宇宙膨胀速率不相容。但这些数据是初步的，并没有明确显示这种形式的暗能量是否真的存在。
“有很多理由要谨慎对待，不要将其视为新物理学的发现，”巴黎天体物理研究所的宇宙学家 Silvia Galli 说。
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两篇预印本的作者——一篇由 ACT 团队发布，另一篇由一个独立小组发布——承认数据强度尚不足以高置信度地探测到早期暗能量。但他们表示，来自 ACT 和另一个天文台——南极望远镜的进一步观测可能很快会提供更严格的检验。“如果这真的是真的——如果早期宇宙真的具有早期暗能量——那么我们应该会看到一个强烈的信号，”ACT 团队论文的合著者 Colin Hill 说，他也是纽约市哥伦比亚大学的宇宙学家。
绘制 CMB 图
ACT 和南极望远镜都旨在绘制宇宙微波背景 (CMB) 图，宇宙微波背景是原始辐射，有时被描述为大爆炸的余辉。CMB 是宇宙学家理解宇宙的支柱之一。通过绘制 CMB 在天空中的细微变化，研究人员找到了令人信服的证据来支持“宇宙学标准模型”。该模型描述了一个包含三种主要成分的宇宙的演化：暗能量；同样神秘的暗物质，它是星系形成的主要原因；以及普通物质，普通物质占宇宙总质量和能量的不到 5%。
当前最先进的 CMB 图是由欧洲航天局的普朗克任务提供的，该任务在 2009 年至 2013 年间处于活动状态。基于普朗克数据的计算预测——假设宇宙学标准模型是正确的——宇宙现在的膨胀速度应该有多快。但过去十年左右，基于超新星爆发和其他技术的对宇宙膨胀的越来越精确的测量发现，宇宙膨胀速度要快 5-10%。
理论家们提出了大量对标准模型的修改，以解释这种差异。两年前，马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米昂科夫斯基和他的合作者为标准模型提出了一个额外的成分。他们的“早期暗能量”——更精确地表达了他们和其他团队多年来一直在研究的想法——将是一种流体，它在大爆炸后的几十万年内渗透到宇宙中并逐渐消失。“这不是一个有说服力的论点，但这是我们唯一能使其工作的模型，”卡米昂科夫斯基说。
早期暗能量的强度不足以引起加速膨胀，就像“普通”暗能量目前正在做的那样。但这会导致从大爆炸中产生的等离子体比原本应有的速度更快地冷却下来。这将影响 CMB 数据的解读方式——尤其是在根据声波在等离子体冷却成气体之前能够传播多远来测量宇宙年龄及其膨胀速率时。普朗克和类似的观测站使用这种转变后留在天空中的特征来进行此类计算。
最新的两项研究发现，ACT 的 CMB 偏振图比标准模型更符合包含早期暗能量的模型。Hill 说，基于早期暗能量模型和 ACT 数据解读 CMB 意味着宇宙现在有 124 亿年的历史，比使用标准模型计算出的 138 亿年年轻约 11%。相应地，当前的膨胀速度将比标准模型预测的快约 5%——更接近天文学家今天计算出的速度。
不一致性仍然存在
Hill 说，他以前对早期暗能量持怀疑态度，他团队的发现让他感到惊讶。法国蒙彼利埃大学的天体物理学家 Vivian Poulin 是第二项基于 ACT 数据的研究的合著者，他说他的团队的分析与 ACT 团队自身的分析结果一致，这令人欣慰。“主要作者是非常非常强硬、保守的人，他们真正理解数据和测量结果，”卡米昂科夫斯基说。
但 Galli 警告说，ACT 数据似乎与她参与的普朗克团队的计算结果不一致。虽然 ACT 的偏振数据可能支持早期暗能量，但不清楚其另一主要数据集——CMB 温度图——是否显示出这种偏好。她补充说，出于这些原因，使用南极望远镜（她也是该实验的一部分）交叉检查结果至关重要。
芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼参与了一些最精确的宇宙膨胀测量，她说基于 ACT 的结果很有趣，即使是初步的。“重要的是要研究不同的模型”并将它们与标准模型进行比较，她说。
本文经许可转载，并于 2021 年 9 月 17 日 首次发表。