宇宙膨胀之谜有解了？第二种暗能量了解一下

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宇宙膨胀之谜有解了？第二种暗能量了解一下

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2021-12-15 12:40

原文作者：Davide Castelvecchi

研究人员发现了一种此前未知的早期宇宙物质的线索，或能解释为何宇宙当前的膨胀速度似乎比理论预测的要快。

暗能量是宇宙中无处不在但又异常神秘的物质，推动着宇宙的加速膨胀。而现在，宇宙学家发现了第二种暗能量的迹象，这种暗能量可能存在于大爆炸后的第一个30万年里。

不久前，arXiv预印本服务器上发布了两项独立研究[1,2]，研究人员利用智利阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）2013-2016年收集的数据，发现了这种“早期暗能量”的首个初步迹象。如果发现得到证实，它们或能用于解决围绕早期宇宙数据的一个长期谜题——这些早期宇宙的数据似乎与当前测得的宇宙膨胀速度互相矛盾（参见：宇宙膨胀到底有多快？最新测量结果让科学家更困惑了）。不过，这些数据仍是初步数据，无法用来判定早期暗能量是否真的存在。

来自阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的数据显示，宇宙的最初阶段存在两种类型的暗能量。来源：Giulio Ercolani/Alamy

巴黎天体物理研究所的宇宙学家Silvia Galli说：“考虑到多重原因，这是否能视为新物理的发现，我们一定要慎之又慎。”

这两篇预印本论文分别来自ACT团队和一个独立小组。两篇文章的作者都承认，这些数据还不够有力，不能以很高的置信度探测到早期暗能量的存在。但他们表示，来自ACT和另一台望远镜——南极点望远镜（SPT，位于南极洲）的进一步观测很快就能提供一次更严格的测试。“如果这是真的——如果早期宇宙确实存在早期暗能量——那我们应该能看到一个强烈信号。”ACT团队论文[1]的合著者、纽约哥伦比亚大学的宇宙学家Colin Hill说。

绘制宇宙微波背景

ACT和南极点望远镜的设计目标都是用来绘制宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB），这种原始辐射有时也被称为大爆炸的余辉。CMB是宇宙学家认识宇宙的一个支柱。通过绘制天空中CMB的细微变化，研究人员已经发现了支持“宇宙学标准模型”的切实证据。宇宙学标准模型描述了由三种主要物质组成的宇宙的演化过程，这三种物质分别是：暗能量；和暗能量同样神秘的暗物质——星系形成的主要原因；普通物质——占宇宙总质量和总能量的5%不到。

目前最前沿的CMB图由普朗克任务（Planck mission）绘制，这是欧洲航天局在2009年至2013年开展的一项任务。根据普朗克任务的数据进行计算，就能预测——假设宇宙学标准模型是正确的——宇宙现在的膨胀速度到底有多快。但在过去十年里，对超新星爆炸的观测和其他方法也使得我们对宇宙膨胀速度的测量精度不断提高，而这一速度比理论预测快了5%-10%[3]。

理论物理学家认为，标准模型可能导致了这种差异，并建议对其大幅调整。两年前，美国约翰斯·霍普金斯大学的宇宙学家Marc Kamionkowski与合作者提出给标准模型增加一个元素[4]。他们建议增加的“早期暗能量”——准确地说，是他们和其他团队多年来一直在钻研的想法——是一种弥散于整个宇宙的流体，并在大爆炸后的几十万年内逐渐消失。Kamionkowski说：“这不是一个很有说服力的观点，但却是我们唯一能解释的模型。”

早期暗能量不会像现在的“普通”暗能量那样强大到能让宇宙加速膨胀，但它会让大爆炸中产生的等离子体冷却得更快。这会影响我们对CMB数据的解释——尤其会影响对宇宙年龄及其膨胀速度的测量，因为这些测量主要基于声波在等离子体冷却成气体前能够在其中传播多远。为进行这类计算，普朗克任务和其他类似天文观测都要利用该转换过程后存留在天空中的一些特征。

这两项最新研究发现，ACT的CMB偏振图与包含早期暗能量的模型拟合度更好——超过与标准模型的拟合度。Hill说，如果用包含早期暗能量的模型和ACT的数据来解释CMB，那么宇宙现在的年龄是124亿年，比标准模型计算的138亿年年轻了11%左右。相应地，宇宙当前的膨胀速度也比标准模型预测的快5%——更接近于当前天文学家的计算结果。

差异仍然存在

Hill说，他以前对早期暗能量持怀疑态度，但他们团队的发现令他感到惊讶。Vivian Poulin是法国蒙彼利埃大学的天体物理学家，也是另一项使用ACT数据的研究[2]的合著者。令他欣慰的是，他们团队的分析结果与ACT团队的一致。Kamionkowski说：“论文的主要作者是一群非常坚持、保守的人，他们是真正了解数据和测量结果的人。”

但Galli提醒道，ACT数据似乎与她所在的普朗克团队的计算结果有出入。尽管ACT的偏振数据可能支持早期暗能量，但尚不清楚其他主要数据集——如CMB温度图——是否也同样支持。她说，出于这些原因，使用南极点望远镜进行交叉验证是必不可少的一步。她本人也参与了这个项目。

芝加哥大学的天文学家Wendy Freedman曾参与完成对宇宙膨胀的一些最精确的测量，她说即使这些基于ACT数据的结果只是初步的，但依然很有意思。她说，“一定要使用不同的模型”，并将它们与标准模型相比较。

参考文献：

1. Hill, J. C. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2109.04451 (2021).

2. Poulin, V., Smith, T. L. & Bartlett, A. Preprint at https://arxiv.org/abs/2109.06229 (2021).

3. Di Valentino, E. et al. Class. Quantum Grav. 38, 153001 (2021).

4. Poulin, V., Smith, T. L., Karwal, T. & Kamionkowski, M. Phys. Rev. Lett. 122, 221301 (2019).

原文以New type of dark energy could solve Universe expansion mystery为标题发表在2021年9月17日《自然》的新闻版块上