麻省理工学院物理学家的一项新研究提出，一种被称为早期暗能量的神秘力量可以解决宇宙学中两个最大的谜题，并填补我们对早期宇宙如何演化的理解中的一些主要空白。
其中一个谜题是“哈勃张力”，它指的是对宇宙膨胀速度的测量不匹配。另一种方法是观察大量早期明亮的星系，这些星系存在于早期宇宙人口应该少得多的时期。
现在，麻省理工学院的研究小组发现，如果早期宇宙有一个额外的、转瞬即逝的成分:早期暗能量，这两个难题都可以解决。暗能量是一种未知的能量形式，物理学家怀疑它正在推动今天宇宙的膨胀。早期暗能量是一种类似的假设现象，可能只出现了很短的时间，在宇宙完全消失之前的最初时刻影响了宇宙的膨胀。
一些物理学家怀疑早期暗能量可能是解决哈勃张力的关键，因为这种神秘的力量可以加速宇宙的早期膨胀，其数量可以解决测量不匹配的问题。
麻省理工学院的研究人员现在发现，早期暗能量也可以解释天文学家在早期宇宙中观察到的令人困惑的明亮星系数量。在他们今天发表在《皇家天文学会月报》上的新研究中，研究小组模拟了宇宙最初几亿年里星系的形成。当他们只在最初的一小段时间里加入暗能量成分时，他们发现，从原始环境中产生的星系数量激增，与天文学家的观测结果相符。
“你有两个迫在眉睫的开放式谜题，”该研究的合著者、麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的博士后Rohan Naidu说。“我们发现，事实上，早期暗能量是宇宙学中两个最紧迫问题的一个非常优雅和稀疏的解决方案。”
该研究的共同作者包括第一作者和Kavli博士后Xuejian (Jacob) Shen，麻省理工学院物理学教授Mark Vogelsberger，以及德克萨斯大学奥斯汀分校的Michael Boylan-Kolchin和剑桥大学的Sandro Tacchella。
大城市的灯光
根据标准的宇宙学和星系形成模型，宇宙应该花时间旋转第一个星系。原始气体需要数十亿年的时间才能融合成像银河系这样又大又亮的星系。
但在2023年，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)进行了惊人的观察。这台望远镜比迄今为止的任何天文台都能观测到更久远的时间，在最初的5亿年里，当宇宙只有现在年龄的3%时，它发现了数量惊人的与现代银河系一样大的明亮星系。
“JWST看到的明亮星系就像在大城市周围看到一团光，而理论预测的是像黄石国家公园这样的乡村环境周围的光，”沈说。“我们没有预料到这么早就会出现光团。”
对物理学家来说，这些观察结果意味着，要么这些模型背后的物理学存在根本性的问题，要么早期宇宙中有一种科学家没有解释清楚的缺失成分。麻省理工学院的研究小组探索了后者的可能性，以及缺失的成分是否可能是早期暗能量。
物理学家提出，早期暗能量是一种反引力，只在很早的时候才出现。这种力会抵消重力向内的拉力，加速宇宙早期的膨胀，从而在某种程度上解决测量结果的不匹配。因此，早期暗能量被认为是哈勃张力最有可能的解决方案。
星系的骨架
麻省理工学院的研究小组探索了早期暗能量是否也可能是解释JWST探测到的意想不到的大型明亮星系群的关键。在他们的新研究中，物理学家们考虑了早期暗能量如何影响宇宙的早期结构，从而产生了第一个星系。他们专注于暗物质晕的形成，暗物质晕是宇宙中引力更强的区域，也是物质开始积聚的地方。
“我们相信暗物质晕是宇宙看不见的骨架，”沈解释说。“暗物质结构首先形成，然后星系在这些结构中形成。因此，我们预计明亮星系的数量应该与大暗物质晕的数量成正比。”
该团队开发了一个早期星系形成的经验框架，它预测了早期宇宙中应该形成的星系的数量、光度和大小，给出了一些“宇宙学参数”的测量。宇宙学参数是描述宇宙演化的基本成分或数学术语。
物理学家已经确定至少有六个主要的宇宙学参数，其中一个是哈勃常数——一个描述宇宙膨胀速度的术语。其他参数描述了宇宙大爆炸后，原始汤中的密度波动，暗物质晕最终由此形成。
麻省理工学院的研究小组推断，如果早期的暗能量影响了宇宙早期的膨胀率，以一种解决哈勃张力的方式，那么它可能会影响其他宇宙学参数的平衡，从而可能增加早期出现的明亮星系的数量。为了验证他们的理论，他们将早期暗能量模型(恰好是解决哈勃张力的模型)整合到一个经验星系形成框架中，以观察最早的暗物质结构是如何演变并产生第一个星系的。
Naidu说:“我们所展示的是，早期宇宙的骨架结构以一种微妙的方式发生了变化，波动的幅度上升，你会得到更大的光晕，更亮的星系，这些都是在更早的时候出现的，比我们更普通的模型更明显。”“这意味着物质更丰富，在早期宇宙中更聚集。”
约翰霍普金斯大学的理论物理学教授马克·卡米恩科夫斯基(Marc Kamionkowski)没有参与这项研究，他说:“先验地说，我不会期望JWST早期明亮星系的丰度与早期暗能量有任何关系，但他们观察到，EDE将宇宙学参数推向了一个促进早期星系丰度的方向，这很有趣。”“我认为需要做更多的工作来建立早期星系和EDE之间的联系，但无论结果如何，这都是一个聪明的尝试，希望最终能取得成果。”
“我们展示了早期暗能量作为宇宙学面临的两大问题的统一解决方案的潜力。如果JWST的观测结果得到进一步巩固，这可能是它存在的证据，”Vogelsberger总结道。“未来，我们可以将其纳入大型宇宙学模拟中，看看我们能得到什么样的详细预测。”
这项研究得到了NASA和美国国家科学基金会的部分支持。
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