假如宇宙存在“早期暗能量”……两大谜题迎刃而解

转载自科普公众号【原理】

在现代宇宙学中，有两个谜团：一个被称为哈勃争议，它指的是不同的方法测量到的宇宙膨胀速率存在差异；另一个是大质量亮星系之谜，涉及到对大量早期明亮的星系的观测。‍

最近，一项发表于《皇家天文学会月刊》的新研究表明，如果在早期宇宙中有一个额外的、转瞬即逝的组分——早期暗能量，那么这两个难题都可以迎刃而解。暗能量是一种未知的能量形式，物理学家认为是它导致了宇宙今天的加速膨胀。早期暗能量则是一种类似的假想，它只出现了很短的时间，在完全消失之前只在最初时刻影响了宇宙的膨胀。

哈勃争议

自上个世纪20年代哈勃发现宇宙正在膨胀之后，天文学家就一直在试图测量宇宙膨胀得究竟有多快。然而，这个问题并没有想象中容易。

天文学家会测量所谓的哈勃常数，来推算宇宙的膨胀速度。今天，他们主要通过两种方法来测量哈勃常数：一种是通过宇宙微波背景的数据推断出哈勃常数，得到的值为67.4±0.5km/s/Mpc；另一种是从超新星的数据中更直接地推断宇宙的膨胀率，得到的值为73.0±1.0km/s/Mpc。

二者之间看似微不足道的差异，对天文学家而言是个巨大的问题，它对我们理解宇宙的基本性质提出了重大挑战。这两个都极其精确的测量结果之间的差异，便是哈勃争议。

现在，这项新的研究提出，假如存在早期暗能量，就可以使从宇宙微波背景推导出的哈勃常数值，更接近于通过宇宙距离阶梯测得的值，从而解决哈勃争议。

大质量亮星系之谜

2023年，韦布空间望远镜（JWST）发现，在宇宙最初的5亿年（当宇宙只有现在年龄的3%时）里，就已知存在与现代银河系相当的明亮星系。

然而，根据标准的宇宙学模型和星系形成模型，最早一批的星系应该花费了很长时间才得以形成。这需要数十亿年的时间才能使原始气体融合成像银河系这样又大又亮的星系。

JWST的观测结果意味着，要么这些模型背后的物理学理论存在根本性的问题，要么早期宇宙中还存在某些科学家无法解释清楚的缺失成分。研究人员探索了后者的可能性，他们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，研究人员分析了早期暗能量是如何影响宇宙的早期结构，进而产生第一批星系的。

研究人员相信，星系的形成依赖于暗物质晕，这是一种由暗物质构成的巨大引力“骨架”，是星系形成的基础。暗物质虽然看不见，但其引力使气体和尘埃聚集，最终形成星系。

如果存在早期暗能量，那么宇宙早期的膨胀加速，就会导致暗物质晕更早形成。这使得在宇宙初期（几亿年内），暗物质晕就已经足够大，能够形成巨大的星系。换句话说，早期暗能量为星系的快速成长提前铺平了道路，解释了为什么JWST能在如此早的宇宙中看到这些巨大的星系。他们预计亮星系的数量应该与大暗物质晕的数量成正比。

研究人员模拟了宇宙最初几亿年里的星系形成，发现当他们只在最初的一小段时间里加入暗能量成分时，这种神秘的未知力量就可能导致早期星系种子（左图）萌发出比理论预测更多的明亮星系。（图/Josh Borrow/Thesan Team）

需要更多数据

这项研究的迷人之处在于，早期暗能量可以同时解决哈勃争议和早期大质量亮星系这两个看似无关的谜题。当然，早期暗能量目前仍是一个假设。要确认其是否存在，科学家们需要通过更多的观测和模拟来加以检验，尤其是来自JWST和其他天文台的进一步数据。

如果早期暗能量的理论被证实，它将帮助我们更好地理解宇宙的早期历史以及其结构的形成。随着更多数据的积累，我们或许正处于揭开这些宇宙谜团的边缘。

#创作团队：

编译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：Josh Borrow/Thesan Team