阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)表明，在宇宙早期存在兩種暗能量。圖片來源：Atacama Cosmology Telescope
源自未知的、原初的宇宙成分的一系列跡象，或許能解釋為何現(xiàn)今宇宙的膨脹速度比理論預(yù)言的要快。而如果真的存在這種假想中的“早期暗能量”，宇宙年齡就要比現(xiàn)在測量的小10億多歲。
暗能量是一種普遍存在但又難以捉摸的宇宙組成成分，它可以加速現(xiàn)在宇宙的膨脹速度。宇宙學(xué)家已經(jīng)找到了第二種暗能量的信號，這種暗能量或許曾在宇宙大爆炸后30萬年內(nèi)存在。
阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡（Atacama Cosmology Telescope，ACT）位于智利。過去一周內(nèi)在預(yù)印本平臺arXiv上公布的兩篇獨(dú)立的研究顯示，從它在2013年到2016年間收集的數(shù)據(jù)中，研究人員或許首次找到了這類“早期暗能量”（early dark energy）的跡象。今天測量得到的宇宙膨脹速度，和早期宇宙的數(shù)據(jù)不匹配，而如果“早期暗能量”的發(fā)現(xiàn)能被確認(rèn)，科學(xué)家或許就能解決這個問題。但目前數(shù)據(jù)仍然是初步的，不能讓科學(xué)家斷定是否真的存在這種形式的暗能量。
巴黎天體物理學(xué)院的宇宙學(xué)家西爾維婭·加利（Silvia Galli）說：“我們有充足的理由將此次發(fā)現(xiàn)作為新物理來仔細(xì)對待?！?/p>
兩篇預(yù)印本論文的作者分別是ACT團(tuán)隊(duì)和一支獨(dú)立團(tuán)隊(duì)，他們都承認(rèn)目前的數(shù)據(jù)還不足以在較高的可信度下檢測早期暗能量。但他們也都說ACT或南極點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡（South Pole Telescope，SPT）的進(jìn)一步觀測，很快都能提供更加詳實(shí)的數(shù)據(jù)。ACT團(tuán)隊(duì)論文的合著者，美國哥倫比亞大學(xué)的宇宙學(xué)家科林·希爾（Colin Hill）說：“如果宇宙早期的確充斥著早期暗能量，我們就應(yīng)該能看到強(qiáng)烈的信號?！?/p>
繪制宇宙背景
ACT和SPT的設(shè)計目的都是繪制宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB），這是宇宙大爆炸后宇宙中第一縷自由傳播的光。對于宇宙學(xué)家而言，CMB是他們宇宙理論的重要支柱之一。通過描繪CMB在全天各個方向上的細(xì)微差異，研究人員已經(jīng)找到了“宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”的有力證據(jù)。這個模型用三個初始參數(shù)描述了宇宙的演化：暗能量、暗物質(zhì)和普通物質(zhì)。暗物質(zhì)的神秘程度和暗能量不相上下，它是星系形成的主要原因。而我們熟知的普通物質(zhì)，還不到宇宙總能量/質(zhì)量的5%。
普朗克團(tuán)隊(duì)公布的宇宙微波背景輻射，分別為溫度分布，平滑后的溫度分布，和平滑后的溫度分布與偏振信息。圖片來源：ESA
當(dāng)前最先進(jìn)的CMB觀測結(jié)果，是歐洲航天局的普朗克任務(wù)（Planck mission）在2009年到2013年間繪制的。而根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，我們可以通過計算普朗克任務(wù)的數(shù)據(jù)來預(yù)言現(xiàn)在宇宙應(yīng)該以多快的速度膨脹。在過去的十年中，對超新星爆炸等現(xiàn)象的觀測，讓我們對宇宙膨脹速度的測量越來越精確。但這樣測出的膨脹速度卻比普朗克任務(wù)得到的速度快5%～10%。
理論物理學(xué)家認(rèn)為，對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行大量修改可以解釋這樣的差異。兩年前，美國約翰霍普金斯大學(xué)的宇宙學(xué)家馬克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）和同事們則表明，可以向標(biāo)準(zhǔn)模型中額外添加一個角色——“早期暗能量”，這是他們和其他團(tuán)隊(duì)多年來一直在研究的一個更精確的想法。早期暗能量會是一種類似液體的東西，當(dāng)它在宇宙大爆炸后幾十萬年內(nèi)消失之前，會滲透到宇宙中?？孜炭品蛩够f：“這并不是一個很有力的想法，但這是我們現(xiàn)在唯一能繼續(xù)探索下去的模型。”
與“普通的”暗能量不同，早期暗能量不會強(qiáng)到導(dǎo)致宇宙加速膨脹。但它會讓宇宙大爆炸時產(chǎn)生的等離子體以更快的速度冷卻。這將影響我們解釋CMB的方式——特別是涉及用在彌漫在整個宇宙的等離子體冷卻成氣體之前，聲音在其中傳播的距離，來計算宇宙年齡和宇宙膨脹速率的時候（即重子聲學(xué)振蕩相關(guān)問題）。普朗克任務(wù)和其他類似的觀測，正是用這種效應(yīng)在天空中留下的印記來進(jìn)行這些計算的。
宇宙大爆炸 圖片來源：Wikipedia/NASA/WMAP Science Team
這兩項(xiàng)最新的研究發(fā)現(xiàn)，相比于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，帶有早期暗能量的宇宙學(xué)模型更能符合ACT在CMB中觀測到的偏振信息。希爾表示，用早期暗能量模型來解釋ACT觀測到的CMB數(shù)據(jù)，宇宙的年齡將會是124億歲，比用標(biāo)準(zhǔn)模型計算出的138億歲小了11%。因此，現(xiàn)在宇宙膨脹的速率應(yīng)該比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的快5%，與天文學(xué)家今天計算得到的更為接近。
矛盾依然存在
希爾說，他之前對早期暗能量模型持懷疑態(tài)度，而團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)讓他十分驚訝。另一篇論文的合著者，法國蒙彼利埃大學(xué)的天體物理學(xué)家維維安·普蘭（Vivian Poulin）則表示自己團(tuán)隊(duì)的分析和ACT團(tuán)隊(duì)的相符合讓他感到安心?？孜炭品蛩够f：“主要作者都是非?？陀^、保守的人，他們非常理解這些數(shù)據(jù)和測量結(jié)果?！?br>
但作為普朗克團(tuán)隊(duì)的一員的加利卻提醒，ACT的數(shù)據(jù)和普朗克團(tuán)隊(duì)計算出的數(shù)據(jù)不一致。盡管ACT的偏振數(shù)據(jù)支持早期暗能量的存在，但目前還不清楚主要數(shù)據(jù)集——CMB的溫度分布——是否表現(xiàn)出同樣的偏向。她補(bǔ)充道，出于這些原因，用SPT的數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)是十分必要的，而她也參與了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。
美國芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家溫迪·弗里德曼（Wendy Freedman）曾為最精確的宇宙膨脹測量作出過貢獻(xiàn)，她說，即使是初步結(jié)論，基于ACT的結(jié)果仍非常有趣。“追求不同的模型，并將其和標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對比，這非常重要。”她說。
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/new-type-of-dark-energy-could-solve-universe-expansion-mystery/
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