新发现的暗能量类型可以解决宇宙膨胀速度之谜

摘要:

宇宙学家们发现了第二种暗能量的迹象--这种无处不在但又神秘莫测的物质正在推动当前的宇宙加速膨胀--可能已经存在于大爆炸后的头30万年。两项独立的研究上周都发布在arXiv预印本服务器上。在智利的阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)于2013年至2016年期间收集的数据中检测到了这种"早期暗能量"的初步痕迹。

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如果这些发现得以证实,它们可能有助于解决围绕早期宇宙数据的一个长期难题,这些数据似乎与今天测量的宇宙膨胀率不一致。但是这些数据是初步的,并没有明确显示这种形式的暗能量是否真的存在。

两篇预印本的作者--一篇由ACT团队发布,另一篇由一个独立的小组发布--承认数据还不够强大,不足以高度自信地检测早期暗能量。但是他们说,来自ACT和另一个天文台,即南极洲的南极望远镜的进一步观察,可能很快就会提供一个更严格的测试。"ACT团队论文的共同作者、纽约市哥伦比亚大学的宇宙学家Colin Hill说:"如果这真的是真的--如果早期宇宙真的具有早期暗能量--那么我们应该看到一个强烈的信号。

ACT和南极望远镜都是为了绘制宇宙微波背景(CMB),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。通过绘制整个天空中CMB的微妙变化,研究人员已经为"宇宙学标准模型"找到了令人信服的证据。这个模型描述了一个包含三种主要成分的宇宙的演变:暗能量;同样神秘的暗物质,它是形成星系的主要原因;以及普通物质,它只占宇宙总质量和能量的不到5%。

目前最先进的CMB地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年期间十分活跃。基于普朗克数据的计算预测:假设宇宙学的标准模型是正确的,那么宇宙现在的膨胀速度应该是多少。但是在过去的十年左右,根据对超新星爆炸的观测和其他技术,对这种膨胀进行了越来越精确的测量,发现其速度要快5-10%。

宇宙膨胀的速度有多快?宇宙学家们变得更加困惑了

理论家们对标准模型提出了大量的修改意见,可以解释这种差异。两年前,马里兰州巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的宇宙学家Marc Kamionkowski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"--这使他们和其他团队几年来一直在研究的一个想法更加精确--将是一种渗透到宇宙中的流体,然后在大爆炸的几十万年内干涸。"Kamionkowski说:"这不是一个令人信服的论点,但它是我们唯一能够成功的模型。

早期的暗能量不会强大到足以导致加速膨胀,就像'普通'暗能量目前正在做的那样。但它会导致从大爆炸中出现的等离子体比其他情况下更快地冷却下来。这将影响到如何解释CMB数据--特别是当涉及到对宇宙年龄及其膨胀率的测量时,这些测量是基于声波在冷却成气体之前能够在等离子体中传播多远。普朗克和类似的观测站利用这种转变后留在天空中的特征来进行这种计算。

这两项最新研究发现,ACT的CMB偏振图与包括早期暗能量的模型相比,更符合标准模型。Hill说,在早期暗能量模型和ACT数据的基础上解释CMB将意味着宇宙现在有124亿年的历史,比用标准模型计算的138亿年年轻大约11%。相应地,目前的膨胀将比标准模型预测的快约5%--更接近天文学家今天的计算结果。

不一致的地方仍然存在

Hill表示,他之前对早期暗能量持怀疑态度,而他的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、基于ACT数据的第二项研究的合著者Vivian Poulin说,他的团队的分析与ACT团队的分析一致,这让人感到欣慰。

但是ACT的数据似乎与普朗克团队的计算结果不一致,而且,尽管ACT的偏振数据可能有利于早期暗能量,但不清楚它的另一组主要数据--CMB温度图是否显示出这样的倾向性。由于这些原因,使用南极望远镜交叉检查结果将是至关重要的。

伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家Wendy Freedman对宇宙膨胀的一些最精确的测量做出了贡献,他说基于ACT的结果很有趣,尽管是初步的。她说,"追求不同的模型是很重要的",并将它们与标准模型进行比较。

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