假如宇宙存在“早期暗能量”……兩大謎題迎刃而解

轉(zhuǎn)載自科普公眾號【原理】

在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，有兩個(gè)謎團(tuán)：一個(gè)被稱為哈勃爭議，它指的是不同的方法測量到的宇宙膨脹速率存在差異；另一個(gè)是大質(zhì)量亮星系之謎，涉及到對大量早期明亮的星系的觀測。?

最近，一項(xiàng)發(fā)表于《皇家天文學(xué)會月刊》的新研究表明，如果在早期宇宙中有一個(gè)額外的、轉(zhuǎn)瞬即逝的組分——早期暗能量，那么這兩個(gè)難題都可以迎刃而解。暗能量是一種未知的能量形式，物理學(xué)家認(rèn)為是它導(dǎo)致了宇宙今天的加速膨脹。早期暗能量則是一種類似的假想，它只出現(xiàn)了很短的時(shí)間，在完全消失之前只在最初時(shí)刻影響了宇宙的膨脹。

哈勃爭議

自上個(gè)世紀(jì)20年代哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之后，天文學(xué)家就一直在試圖測量宇宙膨脹得究竟有多快。然而，這個(gè)問題并沒有想象中容易。

天文學(xué)家會測量所謂的哈勃常數(shù)，來推算宇宙的膨脹速度。今天，他們主要通過兩種方法來測量哈勃常數(shù)：一種是通過宇宙微波背景的數(shù)據(jù)推斷出哈勃常數(shù)，得到的值為67.4±0.5km/s/Mpc；另一種是從超新星的數(shù)據(jù)中更直接地推斷宇宙的膨脹率，得到的值為73.0±1.0km/s/Mpc。

二者之間看似微不足道的差異，對天文學(xué)家而言是個(gè)巨大的問題，它對我們理解宇宙的基本性質(zhì)提出了重大挑戰(zhàn)。這兩個(gè)都極其精確的測量結(jié)果之間的差異，便是哈勃爭議。

現(xiàn)在，這項(xiàng)新的研究提出，假如存在早期暗能量，就可以使從宇宙微波背景推導(dǎo)出的哈勃常數(shù)值，更接近于通過宇宙距離階梯測得的值，從而解決哈勃爭議。

大質(zhì)量亮星系之謎

2023年，韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)現(xiàn)，在宇宙最初的5億年（當(dāng)宇宙只有現(xiàn)在年齡的3%時(shí)）里，就已知存在與現(xiàn)代銀河系相當(dāng)?shù)拿髁列窍怠?/p>

然而，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型和星系形成模型，最早一批的星系應(yīng)該花費(fèi)了很長時(shí)間才得以形成。這需要數(shù)十億年的時(shí)間才能使原始?xì)怏w融合成像銀河系這樣又大又亮的星系。

JWST的觀測結(jié)果意味著，要么這些模型背后的物理學(xué)理論存在根本性的問題，要么早期宇宙中還存在某些科學(xué)家無法解釋清楚的缺失成分。研究人員探索了后者的可能性，他們想知道缺失的成分是否有可能是早期暗能量。

在新的研究中，研究人員分析了早期暗能量是如何影響宇宙的早期結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生第一批星系的。

研究人員相信，星系的形成依賴于暗物質(zhì)暈，這是一種由暗物質(zhì)構(gòu)成的巨大引力“骨架”，是星系形成的基礎(chǔ)。暗物質(zhì)雖然看不見，但其引力使氣體和塵埃聚集，最終形成星系。

如果存在早期暗能量，那么宇宙早期的膨脹加速，就會導(dǎo)致暗物質(zhì)暈更早形成。這使得在宇宙初期（幾億年內(nèi)），暗物質(zhì)暈就已經(jīng)足夠大，能夠形成巨大的星系。換句話說，早期暗能量為星系的快速成長提前鋪平了道路，解釋了為什么JWST能在如此早的宇宙中看到這些巨大的星系。他們預(yù)計(jì)亮星系的數(shù)量應(yīng)該與大暗物質(zhì)暈的數(shù)量成正比。

研究人員模擬了宇宙最初幾億年里的星系形成，發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們只在最初的一小段時(shí)間里加入暗能量成分時(shí)，這種神秘的未知力量就可能導(dǎo)致早期星系種子（左圖）萌發(fā)出比理論預(yù)測更多的明亮星系。（圖/Josh Borrow/Thesan Team）

需要更多數(shù)據(jù)

這項(xiàng)研究的迷人之處在于，早期暗能量可以同時(shí)解決哈勃爭議和早期大質(zhì)量亮星系這兩個(gè)看似無關(guān)的謎題。當(dāng)然，早期暗能量目前仍是一個(gè)假設(shè)。要確認(rèn)其是否存在，科學(xué)家們需要通過更多的觀測和模擬來加以檢驗(yàn)，尤其是來自JWST和其他天文臺的進(jìn)一步數(shù)據(jù)。

如果早期暗能量的理論被證實(shí)，它將幫助我們更好地理解宇宙的早期歷史以及其結(jié)構(gòu)的形成。隨著更多數(shù)據(jù)的積累，我們或許正處于揭開這些宇宙謎團(tuán)的邊緣。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

編譯：不二北斗

排版：雯雯

#參考來源：

https://news.mit.edu/2024/study-early-dark-energy-could-resolve-cosmologys-two-biggest-puzzles-0913

https://academic.oup.com/mnras/article/533/4/3923/7750120?login=false

#圖片來源：

封面圖&首圖：Josh Borrow/Thesan Team