“早期”暗能量能解释宇宙膨胀的奥秘吗?

由:帕特里克·J·基格|

暗能量
科学家们相信宇宙的持续膨胀是由一种叫做暗能量的力量驱动的,但是一种新的“早期”暗能量的想法能帮助解释这个想法吗?国家光学红外天文学研究实验室/维基媒体共享(CC BY 4.0)

一个多世纪以来,科学家们都知道这一点宇宙一直在膨胀自从大爆炸,开始一切的原始事件138亿年前.

但到目前为止,他们还未能解决一个棘手的问题。它的扩展速度有多快?这是因为根据大爆炸遗留下来的辐射(被称为宇宙微波背景,或科学术语中的CMB)估算出的速率与实际值之间存在差异更快的步伐基于对超新星的观测。宇宙膨胀的速率被称为哈勃常数,所以这种差异被称为“哈勃张力”。

科学家们相信,宇宙的持续膨胀是由一种叫做暗能量的力量驱动的,这种力量似乎已经开始扭转宇宙的发展趋势宇宙在大爆炸后的70或80亿年里,地球的减速。

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什么是暗能量?

“暗能量是当今宇宙中一种假设的能量来源,根据我们对宇宙的最佳理解,它约占宇宙总能量的70%,”他解释道格伦斯达克曼他是一位杰出的大学教授,也是凯斯西储大学物理系的联合主席。

“它存在的主要证据是宇宙的加速膨胀,这似乎已经持续了几十亿年,”斯塔克曼说。要推动这样的膨胀,需要一种能量来源,它不会随着宇宙膨胀而变得更稀(或稀释得很少)。这使大多数能量来源失去了意义,例如,普通物质或暗物质,这两种物质的密度都随着宇宙变大而降低。暗能量最简单的模型是,它是与真空有关的不变的能量密度。因此,如果空间膨胀,暗能量的密度将保持不变。”

但是,有很多东西是原因不明的关于暗能量,包括为什么它一直不存在。甚至在标准模型中包含暗能量也不能解决宇宙膨胀的两个测量值之间的差异。

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那么早期暗能量呢?

但有两项新的尚未发表的研究,都是基于2013年至2016年期间美国政府收集的数据阿塔卡马宇宙学望远镜,可能有助于指出一个问题的可能解决方案。研究人员相信,他们发现了一种“早期”暗能量的痕迹,这种暗能量存在于大爆炸后的最初30万年。最近文章本质上达维德·卡斯泰尔韦基首先公布了两份文件,,一个由ACT团队和另外由一个包括维维安·普林史密斯(Tristian L. Smith)和斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College)的亚历克莎·巴特利特(Alexa Bartlett)。

思想早期暗能量最初几年前求婚的约翰·霍普金斯大学博士后、史密斯和他的同事们提出了一种解决这个问题的方法。

斯塔克曼解释说:“早期暗能量是另一种暗能量形式的建议,即与导致今天加速膨胀的暗能量没有明显的联系。”。EDE“在很久以前,当宇宙比现在小10000倍、热10000倍时,在宇宙中会扮演一个重要角色。”他说,这是一个“被设计用来解决关于宇宙膨胀率历史的某些神秘分歧”的概念

正如《自然》杂志的文章所解释的,早期暗能量的强度不足以导致数十亿年后宇宙的加速膨胀,相反,它会通过引起基本粒子的混合,或者等离子体这反过来会影响宇宙微波背景的测量方法——特别是根据声波在等离子体中传播的距离,在等离子体冷却成气体之前测量宇宙的年龄和膨胀率——并导致更快的膨胀率这更接近天文学家根据天体计算的结果。

早期暗能量是一个棘手的理论解决方案,但正如约翰·霍普金斯大学的理论物理学家所说,“这是我们能得到的唯一模型。马克Kamionkowski他是2018年早期暗能量论文的作者之一,向《自然》杂志解释。

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结论并不清楚

这两项研究可能有助于支持早期暗能量的说法,但其中一名研究人员表示,他仍未完全信服,并警告称,需要更多的工作才能得出一个明确的结论。

“我一直对早期的暗能量模型持怀疑态度,因为它们在匹配星系和宇宙中物质的大规模分布(‘大规模结构’,或LSS)的高精度测量中面临着问题,”哥伦比亚大学物理学助理教授科林·希尔这位ACT团队研究报告的合著者在一封电子邮件中写道本报他在2020年与人合著了这本书后面的纸他还提到另一篇论文其他研究人员也提出了类似的问题。)

希尔在电子邮件中写道:“从上述三篇论文中可以看出,早期暗能量模型符合CMB数据和Riess等人的H0数据,得出的LSS预测与这些调查的数据不匹配。”。“因此,我们得出结论,可能需要一个不同的理论模型,或者至少对早期暗能量场景进行一些修改。”

在Hill和Act同事刚刚发布的一项新研究中,他们没有在分析中考虑LSS数据,而是集中在CMB数据上。我们的目标确实是要看看普朗克和ACT CMB的数据是否在早期暗能量背景下给出了一致的结果。我们发现它们给出了一些不同的结果,这是一个我们现在正在努力理解的主要难题。在我看来,早期暗能量场景的LSS问题仍然没有解决。”

“此外,普朗克数据本身(仍然是宇宙学中最精确的数据集)并没有显示出对早期暗能量的偏好,”希尔解释说。“因此,尽管我们在ACT数据中看到了早期暗能量的迹象,但我仍对这个模型是否真的能成为最终结论持谨慎态度。我们需要更多的数据来找出答案。”

如果它存在,早期的暗能量应该与被认为驱动宇宙当前膨胀速度的力量相似。但这仍需要对理论模型进行重大反思。

希尔说:“主要的区别在于,这种早期暗能量在宇宙历史中只扮演了一个短暂的角色,然后就必须‘消失’。”“为了实现这一目标,我们构建了一个新场(技术上说,是类轴场)的粒子物理模型,该场在重组前短暂加速宇宙膨胀,但随后迅速消失,变得无关紧要。”

“相比之下,目前对标准暗能量的主要看法是,它只是一个宇宙常数,很可能是由真空能量产生的,”希尔继续说。“这种形式的能量不会随着时间而改变。然而,标准暗能量也有可能来自于一些我们还不了解的新基础领域。在这种情况下,它很可能是时间演化的,因此它可能与上面讨论的早期暗能量模型有一些相似之处。”

希尔说:“同样,我们需要更多的数据来更准确地探讨这些问题,并希望在未来十年找到答案。”。“幸运的是,许多强大的实验即将上线。”他提到了这些设施西蒙斯天文台,研究中巴,以及鲁宾天文台欧几里得罗马太空望远镜,它将收集有关LSS的新信息。“看到我们的发现应该是非常令人兴奋的,”他说。

这是一个YouTube视频,希尔讨论了早期暗能量:

斯塔克曼说,除非证据清楚且令人信服,否则对这种“非同寻常”的说法要小心是很重要的。正如他所指出的,也有对EDE不利的证据。“目前的结果表明,欧洲航天局的两个观测宇宙微波背景的实验数据集之间的紧张关系日益加剧普朗克卫星在过去十年的早期,从目前的阿塔卡马宇宙学望远镜中飞行。前者似乎不支持早期暗能量的观点,而后者现在支持。实验之间的这种紧张关系是常见的,令人沮丧。我们很有可能说更多的ACT数据将解决问题,但只是压倒了整个宇宙完整的普朗克数据和更多ACT数据无法解释普朗克数据不支持EDE的原因。这种紧张关系似乎需要对其中一个实验进行修改,以便以某种方式提供一个清晰的案例。”

温迪·弗里德曼他认为,寻求各种替代模型很重要。

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Lambda冷暗物质(LCDM)模型

“我们目前有一个宇宙学的标准模型,即所谓的lambda冷暗物质(LCDM)模型,”该论文的作者Freedman说文章哈勃常数,于2021年9月17日发表在《天体物理学杂志》上。“在那个模型中,大约1/3的物质+能量密度是由物质(其中大部分是暗物质)造成的,2/3是由暗能量的组成部分造成的。”

“然而,目前,我们不知道暗物质或暗能量的性质,”弗里德曼继续说。“然而,LCDM非常适合各种不同的实验和观测。鉴于我们的知识水平,进一步测试标准模型显然很重要。目前从CMB测量推断出的哈勃常数值与一些局部测量值之间的明显差异可能很小。”这就是为什么我说研究lambda CDM之外的其他模型很重要。”

但弗里德曼补充了一个重要的警告:“或者,可能有一些尚未可知的系统误差导致了明显的差异。因此,减少目前哈勃常数测量中的不确定性也很重要。”

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