早期暗能量可以解決宇宙學的兩個最大難題

麻省理工學院物理學家的一項新研究提出，一種被稱為早期暗能量的神秘力量可以解決宇宙學中兩個最大的難題，並填補我們對早期宇宙如何演化理解的一些重大空白。

一個有問題的謎題是“哈伯張力”，它指的是宇宙膨脹速度的測量不匹配。另一個涉及對許多早期明亮星系的觀測，這些星系存在於早期宇宙的人口應該少得多的時期。

現在，麻省理工學院的研究小組發現，如果早期宇宙有一種額外的、短暫的成分：早期宇宙，那麼這兩個難題都可以解決。暗能量。暗能量是一種未知形式的能量，物理學家懷疑它正在推動當今宇宙的膨脹。

早期暗能量是一種類似的假設現象，它可能只會短暫出現，在完全消失之前的最初時刻影響宇宙的膨脹。

一些物理學家懷疑早期暗能量可能是解決哈伯張力的關鍵，因為這種神秘的力量可以加速宇宙的早期膨脹，其程度可以解決測量失配的問題。

麻省理工學院的研究人員現在發現，早期暗能量也可以解釋天文學家在早期宇宙中觀察到的令人困惑的明亮星系數量。在他們的新研究中，報道在英國皇家天文學會每月通知，該團隊建模了星系的形成在宇宙最初的幾億年裡。

當他們僅在最早的一小段時間內納入暗能量成分時，他們發現從原始環境產生的星系數量激增，符合天文學家的觀測結果。

「這兩個迫在眉睫的開放式謎題，」該研究的合著者、麻省理工學院卡夫利天體物理和空間研究所的博士後羅漢·奈杜（Rohan Naidu）說。 “我們發現，事實上，早期暗能量是解決宇宙學中兩個最緊迫問題的一種非常優雅且稀疏的解決方案。”

研究的共同作者包括主要作者、卡夫里博士後Xuejian (Jacob) Shen、麻省理工學院物理學教授 Mark Vogelsberger、德克薩斯大學奧斯汀分校的 Michael Boylan-Kolchin 和劍橋大學的 Sandro Tacchella。

大城市的燈光

根據標準的宇宙學和星系形成模型，宇宙應該花時間旋轉第一個星系。原始氣體需要數十億年才能凝聚成像銀河系一樣大而明亮的星系。

但在 2023 年，美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 做出了驚人的觀察。該望遠鏡具有比迄今為止任何天文台更早的觀測能力，在最初的 5 億年內發現了數量驚人的與現代銀河系一樣大的明亮星系，當時宇宙的年齡僅為當前年齡的 3%。

「JWST 看到的明亮星係就像在大城市周圍看到的光團，而理論預測類似黃石國家公園等鄉村環境周圍的光團，」沉說。 “而且我們預計不會這麼早就出現光團。”

對物理學家來說，這些觀察結果意味著要不是模型背後的物理原理存在根本性錯誤，就是早期宇宙中缺少科學家尚未解釋的成分。麻省理工學院的團隊探索了後者的可能性，以及缺少的成分是否可能是早期暗能量。

物理學家提出，早期暗能量是一種反重力，只有在很早的時候才會開啟。這種力將抵消重力的向內拉力，並以解決測量不匹配的方式加速宇宙的早期膨脹。因此，早期暗能量被認為是解決哈伯張力的最有可能的解決方案。

銀河骷髏

麻省理工學院的團隊探討了早期暗能量是否也可能是解釋 JWST 檢測到的意外大型明亮星系群的關鍵。在他們的新研究中，物理學家考慮了早期暗能量如何影響宇宙的早期結構，從而產生了第一個星系。他們專注於形成暗物質暈重力恰好較強且物質開始積聚的空間區域。

「我們相信暗物質暈是宇宙看不見的骨架，」沈解釋。 “暗物質結構首先形成，然後星系在這些結構內形成。因此，我們預計明亮星系的數量應該與大暗物質暈的數量成正比。”

該團隊開發了一個早期星系形成的經驗框架，根據一些「宇宙學參數」的測量，該框架可以預測早期宇宙中應形成的星系的數量、光度和大小。宇宙學參數是描述宇宙演化的基本成分或數學術語。

物理學家已經確定至少有六個主要的宇宙學參數，其中之一是哈伯常數——描述宇宙膨脹率的術語。其他參數描述了大爆炸之後原始湯中的密度波動，暗物質暈最終從中形成。

麻省理工學院的研究小組推斷，如果早期暗能量以解決哈伯張力的方式影響宇宙的早期膨脹率，那麼它可能會影響其他宇宙學參數的平衡，從而可能增加出現在宇宙中的明亮星系的數量。

為了測試他們的理論，他們將早期暗能量模型（恰好解決了哈伯張力的模型）納入經驗星系形成框架中，以了解最早的暗物質結構如何演化並產生第一個星系。

「我們所展示的是，早期宇宙的骨架結構以一種微妙的方式發生了變化，波動的幅度上升，你會得到更大的光環，以及早期存在的更明亮的星系，比我們現在看到的更明顯。 「這意味著事物更加豐富，並且更加聚集在早期宇宙」。

Marc 說：「我不會想到 JWST 早期明亮星系的豐度與早期暗能量有任何關係，但他們觀察到 EDE 將宇宙學參數推向了增加早期星系豐度的方向，這一點很有趣。」卡米翁科夫斯基是約翰霍普金斯大學理論物理學教授，他並沒有參與這項研究。

「我認為需要做更多的工作來建立早期星系和 EDE 之間的聯繫，但無論結果如何，這都是一個聰明的嘗試，希望最終會取得成果。”

「我們證明了早期暗能量作為宇宙學面臨的兩個主要問題的統一解決方案的潛力。如果JWST 的觀測結果得到進一步鞏固，這可能是暗能量存在的證據，」沃格爾斯伯格總結道。

“將來，我們可以將其納入大型宇宙學模擬中，看看我們能得到什麼詳細的預測。”

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。