麻省理工学院的物理学家们提出了一种名为早期暗能量的神秘力量，可能有助于解答宇宙学中的两个主要难题，并填补我们对早期宇宙演化的理解中的一些重要空白。
其中一个难题是“哈勃张力”，即对宇宙膨胀速度的测量结果不一致。另一个则是观察到的早期明亮星系数量，超出了早期宇宙中应有的星系数量。
麻省理工学院的研究小组发现，如果早期宇宙中存在一种短暂的成分：早期暗能量，这两个难题都能得到解决。暗能量是一种未知的能量形式，物理学家认为它可能是推动当今宇宙膨胀的原因。
早期暗能量可能是一种短暂的现象，在宇宙的最初时刻影响了宇宙的膨胀。
一些物理学家认为，早期暗能量可能是解决哈勃张力的关键，因为这种神秘力量能够加速宇宙的早期膨胀，从而解决测量不一致的问题。
麻省理工学院的研究人员发现，早期暗能量也能解释天文学家在早期宇宙中观察到的明亮星系数量。在他们发表在《皇家天文学会月报》上的研究中，研究小组模拟了宇宙最初几亿年中星系的形成。
当他们在最初的一小段时间内加入暗能量成分时，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。
“我们面临两个紧迫的未解之谜，”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表示。“我们发现，早期暗能量实际上是宇宙学中两个最紧迫问题的一个优雅而简洁的解决方案。”
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，宇宙应该花费时间来形成第一个星系。原始气体需要数十亿年的时间才能聚集成像银河系这样的大型星系。
然而，在2023年，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)进行了惊人的观测。这台望远镜能够观测到更早的宇宙，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相当的明亮星系。
“JWST看到的明亮星系就像在大城市周围看到的光团，而理论预测则是像黄石国家公园这样的乡村环境中的光，”沈说。“我们没有预料到这么早就会出现光团。”
对于物理学家来说，这些观测结果意味着，要么这些模型背后的物理学存在根本性的问题，要么早期宇宙中存在一种尚未解释的缺失成分。麻省理工学院的研究小组探索了后者的可能性，考虑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，只在早期宇宙中存在。这种力量可以抵消重力的内向拉力，加速宇宙的早期膨胀，从而解决测量结果的不一致。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讨了早期暗能量是否也可能是解释JWST探测到的意外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，从而产生第一个星系。他们专注于暗物质晕的形成，暗物质晕是引力更强的区域，也是物质开始聚集的地方。
“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，预测了早期宇宙中应形成的星系的数量、光度和大小，并给出了一些“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，其中之一是哈勃常数——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测，如果早期暗能量以一种解决哈勃张力的方式影响宇宙早期的膨胀率，那么它可能会影响其他宇宙学参数的平衡，从而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：“我们展示的是，早期宇宙的骨架结构以微妙的方式发生了变化，波动的幅度上升，导致更大的光晕和更亮的星系，这些都是在更早的时期出现的，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，他表示：“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。”
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