宇宙膨脹之謎有解了？第二種暗能量了解一下

原文作者 | Davide Castelvecchi

研究人員發現了一種此前未知的早期宇宙物質的線索，或能解釋為何宇宙目前的膨脹速度似乎比理論預測的要快。

暗能量是宇宙中無處不在但又異常神秘的物質，推動着宇宙的加速膨脹。而現在，宇宙學家發現了第二種暗能量的迹象，這種暗能量可能存在于大爆炸後的第一個30萬年裡。

不久前，arXiv預印本伺服器上釋出了兩項獨立研究[1,2]，研究人員利用智利阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）2013-2016年收集的資料，發現了這種“早期暗能量”的首個初步迹象。如果發現得到證明，它們或能用于解決圍繞早期宇宙資料的一個長期謎題——這些早期宇宙的資料似乎與目前測得的宇宙膨脹速度互相沖突（參見：宇宙膨脹到底有多快？最新測量結果讓科學家更困惑了）。不過，這些資料仍是初步資料，無法用來判定早期暗能量是否真的存在。

來自阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）的資料顯示，宇宙的最初階段存在兩種類型的暗能量 | Giulio Ercolani/Alamy

巴黎天體實體研究所的宇宙學家Silvia Galli說：“考慮到多重原因，這是否能視為新實體的發現，我們一定要慎之又慎。”

這兩篇預印本論文分别來自ACT團隊和一個獨立小組。兩篇文章的作者都承認，這些資料還不夠有力，不能以很高的置信度探測到早期暗能量的存在。但他們表示，來自ACT和另一台望遠鏡——南極點望遠鏡（SPT，位于南極洲）的進一步觀測很快就能提供一次更嚴格的測試。“如果這是真的——如果早期宇宙确實存在早期暗能量——那我們應該能看到一個強烈信号。”ACT團隊論文[1]的合著者、紐約哥倫比亞大學的宇宙學家Colin Hill說。

繪制宇宙微波背景

ACT和南極點望遠鏡的設計目标都是用來繪制宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB），這種原始輻射有時也被稱為大爆炸的餘輝。CMB是宇宙學家認識宇宙的一個支柱。通過繪制天空中CMB的細微變化，研究人員已經發現了支援“宇宙學标準模型”的切實證據。宇宙學标準模型描述了由三種主要物質組成的宇宙的演化過程，這三種物質分别是：暗能量；和暗能量同樣神秘的暗物質——星系形成的主要原因；普通物質——占宇宙總品質和總能量的5%不到。

目前最前沿的CMB圖由普朗克任務（Planck mission）繪制，這是歐洲航天局在2009年至2013年開展的一項任務。根據普朗克任務的資料進行計算，就能預測——假設宇宙學标準模型是正确的——宇宙現在的膨脹速度到底有多快。但在過去十年裡，對超新星爆炸的觀測和其他方法也使得我們對宇宙膨脹速度的測量精度不斷提高，而這一速度比理論預測快了5%-10%[3]。

理論實體學家認為，标準模型可能導緻了這種差異，并建議對其大幅調整。兩年前，美國約翰斯·霍普金斯大學的宇宙學家Marc Kamionkowski與合作者提出給标準模型增加一個元素[4]。他們建議增加的“早期暗能量”——準确地說，是他們和其他團隊多年來一直在鑽研的想法——是一種彌散于整個宇宙的流體，并在大爆炸後的幾十萬年内逐漸消失。Kamionkowski說：“這不是一個很有說服力的觀點，但卻是我們唯一能解釋的模型。”

早期暗能量不會像現在的“普通”暗能量那樣強大到能讓宇宙加速膨脹，但它會讓大爆炸中産生的等離子體冷卻得更快。這會影響我們對CMB資料的解釋——尤其會影響對宇宙年齡及其膨脹速度的測量，因為這些測量主要基于聲波在等離子體冷卻成氣體前能夠在其中傳播多遠。為進行這類計算，普朗克任務和其他類似天文觀測都要利用該轉換過程後存留在天空中的一些特征。

這兩項最新研究發現，ACT的CMB偏振圖與包含早期暗能量的模型拟合度更好——超過與标準模型的拟合度。Hill說，如果用包含早期暗能量的模型和ACT的資料來解釋CMB，那麼宇宙現在的年齡是124億年，比标準模型計算的138億年年輕了11%左右。相應地，宇宙目前的膨脹速度也比标準模型預測的快5%——更接近于目前天文學家的計算結果。

差異仍然存在

Hill說，他以前對早期暗能量持懷疑态度，但他們團隊的發現令他感到驚訝。Vivian Poulin是法國蒙彼利埃大學的天體實體學家，也是另一項使用ACT資料的研究[2]的合著者。令他欣慰的是，他們團隊的分析結果與ACT團隊的一緻。Kamionkowski說：“論文的主要作者是一群非常堅持、保守的人，他們是真正了解資料和測量結果的人。”

但Galli提醒道，ACT資料似乎與她所在的普朗克團隊的計算結果有出入。盡管ACT的偏振資料可能支援早期暗能量，但尚不清楚其他主要資料集——如CMB溫度圖——是否也同樣支援。她說，出于這些原因，使用南極點望遠鏡進行交叉驗證是必不可少的一步。她本人也參與了這個項目。

芝加哥大學的天文學家Wendy Freedman曾參與完成對宇宙膨脹的一些最精确的測量，她說即使這些基于ACT資料的結果隻是初步的，但依然很有意思。她說，“一定要使用不同的模型”，并将它們與标準模型相比較。

參考文獻

[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為标題發表在2021年9月17日《自然》的新聞版塊上

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