假如宇宙存在“早期暗能量”……兩大謎題迎刃而解

轉載自科普公眾號【原理】

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

最近，一項發表于《皇家天文學會月刊》的新研究表明，如果在早期宇宙中有一個額外的、轉瞬即逝的組分——早期暗能量，那么這兩個難題都可以迎刃而解。暗能量是一種未知的能量形式，物理學家認為是它導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，它只出現了很短的時間，在完全消失之前只在最初時刻影響了宇宙的膨脹。

哈勃爭議

自上個世紀20年代哈勃發現宇宙正在膨脹之后，天文學家就一直在試圖測量宇宙膨脹得究竟有多快。然而，這個問題并沒有想象中容易。

天文學家會測量所謂的哈勃常數，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：一種是通過宇宙微波背景的數據推斷出哈勃常數，得到的值為67.4±0.5km/s/Mpc；另一種是從超新星的數據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，對天文學家而言是個巨大的問題，它對我們理解宇宙的基本性質提出了重大挑戰。這兩個都極其精確的測量結果之間的差異，便是哈勃爭議。

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

大質量亮星系之謎

2023年，韋布空間望遠鏡（JWST）發現，在宇宙最初的5億年（當宇宙只有現在年齡的3%時）里，就已知存在與現代銀河系相當的明亮星系。

然而，根據標準的宇宙學模型和星系形成模型，最早一批的星系應該花費了很長時間才得以形成。這需要數十億年的時間才能使原始氣體融合成像銀河系這樣又大又亮的星系。

JWST的觀測結果意味著，要么這些模型背后的物理學理論存在根本性的問題，要么早期宇宙中還存在某些科學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構，進而產生第一批星系的。

研究人員相信，星系的形成依賴于暗物質暈，這是一種由暗物質構成的巨大引力“骨架”，是星系形成的基礎。暗物質雖然看不見，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，就會導致暗物質暈更早形成。這使得在宇宙初期（幾億年內），暗物質暈就已經足夠大，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。他們預計亮星系的數量應該與大暗物質暈的數量成正比。

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

需要更多數據

這項研究的迷人之處在于，早期暗能量可以同時解決哈勃爭議和早期大質量亮星系這兩個看似無關的謎題。當然，早期暗能量目前仍是一個假設。要確認其是否存在，科學家們需要通過更多的觀測和模擬來加以檢驗，尤其是來自JWST和其他天文臺的進一步數據。

如果早期暗能量的理論被證實，它將幫助我們更好地理解宇宙的早期歷史以及其結構的形成。隨著更多數據的積累，我們或許正處于揭開這些宇宙謎團的邊緣。

#創作團隊：

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