“早期暗能量”能讓宇宙年輕10億歲？仍需不同模型交叉檢驗(yàn)

近日，在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.com上公布的2篇研究論文顯示，研究人員或許從阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡(ACT)2013年到2016年間收集的數(shù)據(jù)中首次找到了“早期暗能量”的跡象。

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(cè)量的小10億多歲。

理論與觀測(cè)間的矛盾

暗能量是一種普遍存在但又難以捉摸的宇宙組成成分，它可以加速宇宙的膨脹速度。如今，宇宙學(xué)家或已找到了第二種暗能量的信號(hào)，這種暗能量或許曾在宇宙大爆炸后30萬年內(nèi)存在。

據(jù)悉，通過測(cè)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)家或許就能解決這一問題。

但研究人員也表示，目前數(shù)據(jù)仍然是初步的，還不足以在較高的可信度下檢測(cè)“早期暗能量”。不過研究人員說，ACT或南極點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡(SPT)的進(jìn)一步觀測(cè)，能夠提供更加翔實(shí)的數(shù)據(jù)。上述論文合著者、美國哥倫比亞大學(xué)的宇宙學(xué)家科林·希爾說：“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(hào)。”

ACT和SPT的設(shè)計(jì)目的都是繪制宇宙微波背景(CMB)，這是宇宙大爆炸后宇宙中第一縷自由傳播的光。對(duì)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(gè)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(gè)模型用3個(gè)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%。

當(dāng)前最佳的CMB觀測(cè)結(jié)果，是歐洲航天局的普朗克任務(wù)在2009年到2013年間繪制的。而根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，科學(xué)家可以通過計(jì)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10年中，對(duì)超新星爆炸等現(xiàn)象的觀測(cè)，讓科學(xué)家對(duì)宇宙膨脹速度的測(cè)量越來越精確，但測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行大量修改可以解釋這樣的差異。2年前，美國約翰霍普金斯大學(xué)的宇宙學(xué)家馬克·卡米翁科夫斯基和同事們則表明，可以向標(biāo)準(zhǔn)模型中額外添加一個(gè)角色——“早期暗能量”。“早期暗能量”可能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(huì)滲透到宇宙中。

仍需不同模型交叉檢驗(yàn)

與“普通的”暗能量不同，“早期暗能量”不會(huì)強(qiáng)到導(dǎo)致宇宙加速膨脹。但它會(huì)讓宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的等離子體以更快的速度冷卻。這將影響科學(xué)家解釋CMB的方式——特別是涉及用整個(gè)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(jì)算宇宙年齡和宇宙膨脹速率(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(cè)，正是用這種效應(yīng)在天空中留下的印記來進(jìn)行計(jì)算。

此次最新研究發(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(cè)到的偏振信息。希爾表示，用“早期暗能量”模型來解釋ACT觀測(cè)到的CMB數(shù)據(jù)，宇宙的年齡將會(huì)是124億歲，比用標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)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(cè)的快5%，與天文學(xué)家計(jì)算得到的結(jié)果更為接近。

但普朗克任務(wù)團(tuán)隊(duì)的一名成員卻提醒道，ACT的數(shù)據(jù)和普朗克團(tuán)隊(duì)計(jì)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(duì)結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)是十分必要的。

美國芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家溫迪·弗里德曼說：“追求不同的模型，并將其和標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比，這非常重要。”