光扭曲助力暗能量研究：宇宙可能比想象中年轻
原文作者：Davide Castelvecchi
宇宙学家认为，一种名为“精质”的奇异物质可能在加快宇宙膨胀，不过这一证据仍有待确定。
宇宙学家表示，他们发现了远古光线在宇宙中的传播路径发生扭曲的迹象；这一信号值得注意，或为理解暗能量的性质提供线索。暗能量是一种似乎在推动宇宙加速膨胀的神秘力量。
根据普朗克太空望远镜测量结果所绘制的宇宙微波背景辐射图。来源：欧洲航天局。
宇宙学家表示，他们在普朗克太空望远镜收集的宇宙微波背景（CMB）数据中发现了光的扭曲，而宇宙加速膨胀可能是由一种宇宙“精质”（quintessence）造成的——精质是弥漫在宇宙中的奇异物质。这次的发现可能要求对现有理论进行重大修正，但物理学家提醒称，该证据只是暂时的，因为它没有达到能将信号采信为新发现的“5 sigma”门槛。尽管如此，它突出地表明，现代宇宙学对宇宙内容物的了解依然是不完整的。
如果暗能量是一种精质，那么它对宇宙膨胀的推力会逐渐衰弱或消失，或是扭转为引力，导致宇宙坍缩，发生“大挤压”（big crunch），加州理工学院理论物理学家Sean Carroll说。“我们又回到了完全不清楚宇宙会如何终结的局面。”前述研究成果发表在11月23日的《物理评论快报》上[1]。
第五元素
最早显示有一股未知力量在推动宇宙加速膨胀的直接证据出现在1998年——来自两项关于超新星的独立研究。随后，一系列其他研究也证实了这股力量的存在，并称其为暗能量，但研究几乎没有揭示关于其性质的任何信息。
研究人员最初的猜想——至今仍是主流理论——是暗能量是空间的固有属性，这可能意味着空间每单位体积所包含的暗能量像“宇宙学常数”一样固定。但有些宇宙学家提出理论，认为暗能量完全是由其他物质组成的。他们称其为精质场（quintessence field），这个名字源自第五元素以太——古希腊哲学家认为以太是一种填充了宇宙所有空间的不可见物质。
和宇宙学常数不同，精质“是一种有形介质，有自己的波动”，美国达特茅斯学院的宇宙学家Robert Caldwell说，他是最先提出该物质存在的研究人员之一[2]。精质的性质可能介于物质和宇宙学常数之间，Cladwell说。在宇宙膨胀的过程中，宇宙学常数将保持恒定的密度，但精质的密度在降低，不过没有物质的密度降得快——后者随着星系的扩张而下降。
1998年，Carroll提出根据精质会改变光在空间中的传播路径的预测，对精质进行实验性检验[3]。现就职于约翰斯·霍普金斯大学的理论物理学家Marc Kamionkowski当时计算了[4]如何在宇宙微波背景中测量这种作用；所谓宇宙微波背景，就是常被描述成大爆炸余晖的初始辐射。研究人员认为，可以通过宇宙微波背景里的偏振光来探测精质的信号。当光的电场在特定方向而不是随机方向“振动”时，光才会发生偏振。根据理论预测，精质会扭曲偏振方向，而这种扭曲或能通过观察全天空偏振来检测。
现在，两位宇宙学家——日本高能加速器研究机构（KEK）的Yuto Minami和德国马克斯·普朗克天体物理研究所的Eiichiro Komatsu，从欧洲航天局2013年结束的普朗克任务收集的数据中，发现了这样的宇宙微波背景信号。
普朗克任务的主要目标是绘制全天空宇宙微波背景辐射温度的细微变化，但是也测量了宇宙微波背景辐射的偏振。Minami和Komatsu利用他们去年5报道的一种新技术来探测精质的信号，所得结果与其他团队的不一样。其他团队已经查看过各种宇宙微波背景辐射的偏振图，包括普朗克任务的图，但没有发现任何扭曲，普林斯顿大学的物理学家Suzanne Staggs说。Staggs团队利用智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）测量了宇宙微波背景辐射，计划将Minami和Komatsu的技术用在ACT的数据上。“我们很有兴趣探索一番。”她说。
巨大的影响
普朗克任务的首席宇宙学家George Efstathiou（剑桥大学）说，这篇论文“是一篇出色的分析”，但普朗克望远镜信号里的噪声或许是个复杂因素。
理论学家也抱持谨慎的态度。“如果是真的，那就是大事。”Carroll说。但他认为结果的统计显著性只有2.5 sigma，并不强，还表示这类结果往往会被进一步的研究推翻掉。
Kamionkowski也同意这种看法。“我认为我们需要非常仔细地过一遍所有数据，先不要太过激动。”他说。他还表示，精质的存在不仅对宇宙学，对基础物理学也有重要意义：根据粒子物理学标准模型的预测，并不存在任何形式的精质。
另有一些研究项目尝试以前所未有的准确度绘制宇宙微波背景辐射偏振图，并对精质来一场严格的“拷问”，包括正在阿塔卡马沙漠建造的Simons天文台（另一项宇宙微波背景辐射实验）和日本计划中的空间探测器LiteBIRD。
如果最后发现精质确实是一种站得住脚的解释，它将影响到目前关于宇宙特征的最佳估计，比如宇宙的年龄可能比宇宙学家基于普朗克数据计算得来的138亿年要年轻一点。它还有望帮助揭示宇宙微波背景辐射的数据为何会预测宇宙的膨胀速度应该比现在观察到的要慢。“他们站在宇宙学常数这块石头上。你动一下它，所有一切可能都要受到影响。”Caldwell说。
参考文献：
1. Minami, Y. & Komatsu, E. Phys. Rev. Lett. 125, 221301 (2020).
2. Caldwell, R. R., Dave, R. & Steinhardt, P. J. Phys. Rev. Lett. 80, 1582–1585 (1998).
3. Carroll, S. M. Phys. Rev. Lett. 81, 3067–3070 (1998).
4. Lue, A., Wang, L. & Kamionkowski, M. Phys. Rev. Lett. 83, 1506–1509 (1999).
5. Minami, Y. et al. Prog. Theor. Exp. Phys. 2019, 083E02 (2019).
原文以Hints of twisted light offer clues to dark energy’s nature为标题发表在 2020年11月24日的《自然》的新闻版块上
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doi: 10.1038/d41586-020-03201-8