利用幽靈暗能量探索「哈伯張力」問題
112年08月09日
【本篇報導由物理學系 李沃龍副教授研究團隊提供】 近來天文觀測所得到的暗能量狀態方程數值大都低於-1，這趨勢意味著暗能量的本質可能和宇宙常數的性質大不相同。有鑑於此，幽靈暗能量的引入似乎不可避免。利用幽靈暗能量的現象學模型，並採用來自太初聲波振盪和超新星的觀測結果，研究團隊分析了宇宙膨脹的演化，結果顯示，該模型與當前的觀測結果具有高度的一致性。這代表如果主導宇宙加速膨脹現象的是幽靈暗能量，而非宇宙常數，則從早期宇宙所導出的哈伯常數值不同於近期宇宙所觀測到的結果，即所謂的「哈伯張力」困境，其實並沒有那麼嚴重。 在目前的宇宙學標準模型中，主導宇宙加速膨脹的成份是所謂的宇宙常數。不過，以標準模型分析宇宙微波背景裡的太初聲波振盪尺度所導出值的哈伯常數，卻與觀測發生於近期宇宙裡的超新星事件得出的宇宙膨脹速率有明顯差距。這一「哈伯張力」（Hubble tension）問題嚴重困擾著整個學界。 從近來觀測所得到的暗能量狀態方程數值大都低於-1的趨勢得到啟發，研究團隊以加權平均的方式建構動態暗能量<wΦ>的現象學模型來模擬宇宙演化：先從近端固定各項觀測近期宇宙所得的宇宙參數值（包括物質密度與哈伯常數H0等），再反演追溯早期宇宙，推算出太初聲波振盪尺度，並和宇宙微波背景裡的觀測數值比較，結果顯示，當暗能量的平均狀態方程數值小於-1時（即所謂的「幽靈暗能量」phantom dark energy)，該誤差Δθ保持在1.42%以下，這時所對應到的哈伯常數值與近期宇宙的觀測結果一致（如圖1）。 研究團隊的分析結果顯示，如果以幽靈暗能量取代標準模型裡的宇宙常數，則所謂的「哈伯張力」問題並不是那麼嚴重，甚至可被解消。這代表研究者必須慎重地重新考慮主導近期宇宙加速膨脹現象的原因，甚至進一步修改宇宙學標準模型！ 圖1：暗能量狀態方程數值與哈伯常數之對應關係及太初聲波振盪尺度之誤差分佈 原文出處： Teng, Y. P., Lee, W., & Ng, K. W. (2021). Constraining the dark-energy equation of state with cosmological data. Physical Review D, 104(8),[A24].https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.083519