2021年09月24日 10:00
【科學快訊】
源自未知的、原初的宇宙成分的一系列跡象，或許能解釋為何現今宇宙的膨脹速度比理論預言的要快。而如果真的存在這種假想中的「早期暗能量」，宇宙年齡就要比現在測量的小10億多歲。
撰文|Davide Castelvecchi
翻譯|王昱
審校|白德凡
暗能量是一種普遍存在但又難以捉摸的宇宙組成成分，它可以加速現在宇宙的膨脹速度。宇宙學家已經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後30萬年內存在。
阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（Atacama Cosmology Telescope，ACT）位於智利。過去一周內在預印本平台arXiv上公布的兩篇獨立的研究顯示，從它在2013年到2016年間收集的數據中，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，和早期宇宙的數據不匹配，而如果「早期暗能量」的發現能被確認，科學家或許就能解決這個問題。但目前數據仍然是初步的，不能讓科學家斷定是否真的存在這種形式的暗能量。
巴黎天體物理學院的宇宙學家西爾維婭·加利（Silvia Galli）說：「我們有充足的理由將此次發現作為新物理來仔細對待。」
兩篇預印本論文的作者分別是ACT團隊和一支獨立團隊，他們都承認目前的數據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或南極點望遠鏡（South Pole Telescope，SPT）的進一步觀測，很快都能提供更加詳實的數據。ACT團隊論文的合著者，美國哥倫比亞大學的宇宙學家科林·希爾（Colin Hill）說：「如果宇宙早期的確充斥著早期暗能量，我們就應該能看到強烈的信號。」
繪制宇宙背景
ACT和SPT的設計目的都是繪制宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB），這是宇宙大爆炸後宇宙中第一縷自由傳播的光。對於宇宙學家而言，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微差異，研究人員已經找到了「宇宙學標准模型」的有力證據。這個模型用三個初始參數描述了宇宙的演化：暗能量、暗物質和普通物質。暗物質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，還不到宇宙總能量/質量的5%。
當前最先進的CMB觀測結果，是歐洲航天局的普朗克任務（Planck mission）在2009年到2013年間繪制的。而根據宇宙學標准模型，我們可以通過計算普朗克任務的數據來預言現在宇宙應該以多快的速度膨脹。在過去的十年中，對超新星爆炸等現象的觀測，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得到的速度快5%~10%。
理論物理學家認為，對標准模型進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的宇宙學家馬克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）和同事們則表明，可以向標准模型中額外添加一個角色——「早期暗能量」，這是他們和其他團隊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，當它在宇宙大爆炸後幾十萬年內消失之前，會滲透到宇宙中。卡米翁科夫斯基說：「這並不是一個很有力的想法，但這是我們現在唯一能繼續探索下去的模型。」
與「普通的」暗能量不同，早期暗能量不會強到導致宇宙加速膨脹。但它會讓宇宙大爆炸時產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（即重子聲學振蕩相關問題）。普朗克任務和其他類似的觀測，正是用這種效應在天空中留下的印記來進行這些計算的。
這兩項最新的研究發現，相比於宇宙學標准模型，帶有早期暗能量的宇宙學模型更能符合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數據，宇宙的年齡將會是124億歲，比用標准模型計算出的138億歲小了11%。因此，現在宇宙膨脹的速率應該比標准模型預測的快5%，與天文學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度，而團隊的發現讓他十分驚訝。另一篇論文的合著者，法國蒙彼利埃大學的天體物理學家維維安·普蘭（Vivian Poulin）則表示自己團隊的分析和ACT團隊的相符合讓他感到安心。卡米翁科夫斯基說：「主要作者都是非常客觀、保守的人，他們非常理解這些數據和測量結果。」
但作為普朗克團隊的一員的加利卻提醒，ACT的數據和普朗克團隊計算出的數據不一致。盡管ACT的偏振數據支持早期暗能量的存在，但目前還不清楚主要數據集——CMB的溫度分布——是否表現出同樣的偏向。她補充道，出於這些原因，用SPT的數據對結果進行交叉檢驗是十分必要的，而她也參與了這項實驗。
美國芝加哥大學的天文學家溫迪·弗裏德曼（Wendy Freedman）曾為最精確的宇宙膨脹測量作出過貢獻，她說，即使是初步結論，基於ACT的結果仍非常有趣。「追求不同的模型，並將其和標准模型進行對比，這非常重要。」她說。
