科学探索|宇宙水云的阴影揭示了早期宇宙的秘密或证实暗能量的特性宇宙水云的阴影揭示了早期宇

一个国际天体物理学家小组发现了一种新的方法来估计大爆炸后仅8.8亿年的年轻宇宙的宇宙微波背景温度。这是第一次在宇宙如此早期的时代测量宇宙微波背景辐射的温度--这是大爆炸释放的能量的遗迹。

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流行的宇宙学模型假设宇宙自大爆炸以来已经冷却--并且仍在继续冷却。该模型还描述了冷却过程应该如何进行，但到目前为止，它只在相对较近的宇宙时代被直接证实。这一发现不仅为宇宙背景温度的发展树立了一个非常早期的里程碑，而且还可能对神秘的暗能量产生影响。相关论文于2022年2月2日发表在《自然》杂志上。
科学家们利用位于法国阿尔卑斯山的北方扩展毫米波阵列(NOEMA)观测站，即北半球最强大的射电望远镜，来观测HFLS3，这是一个巨大的星系，其距离相当于大爆炸后仅8.8亿年的年龄。他们发现了一个冷水气体的“屏幕”，在宇宙微波背景辐射上投下了阴影。阴影的出现是因为较冷的水在走向地球的路上吸收了较热的微波辐射，它的黑暗显示了温度的差异。由于水的温度可以通过观察到的星体的其他特性来确定，这个差异表明了大爆炸遗留辐射的温度，当时的温度比今天的宇宙高约七倍。
【科学探索|宇宙水云的阴影揭示了早期宇宙的秘密或证实暗能量的特性】

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首席作者、科隆大学天体物理研究所的Dominik Riechers教授说：“除了证明冷却之外，这一发现还向我们表明，宇宙在其初始阶段有一些相当具体的物理特征，这些特征今天已经不存在了。”他继续说：“相当早的时候，大约在大爆炸后15亿年，宇宙微波背景已经太冷了，这种效应是可以观察到的。因此，我们有一个独特的观察窗口，它只向一个非常年轻的宇宙开放。”换句话说，如果今天存在一个与HFLS3属性相同的星系，那么水云的阴影将无法被观测到，因为所需的温度对比将不复存在。
“这个重要的里程碑不仅证实了预期的比以前可能测量的时间更早的冷却趋势，而且还可能对难以捉摸的暗能量的性质产生直接影响，”来自波恩马克斯-普朗克射电天文研究所（MPIfR）的共同作者Axel Weiss博士说。暗能量被认为是过去几十亿年来宇宙加速膨胀的原因，但是它的特性仍然不为人所知，因为它无法用目前可用的设施和仪器直接观测到。然而，它的特性影响了宇宙膨胀的演变，从而影响了宇宙在宇宙时间内的冷却速度。
基于这个实验，暗能量的特性--目前--仍然与爱因斯坦提出的“宇宙学常数”的特性一致。Weiss解释说：“也就是说，在一个膨胀的宇宙中，暗能量的密度不会改变。”
在宇宙早期的一个星系中发现了一个这样的冷水云，该团队现在正着手在天空中寻找更多的冷水云。他们的目标是在宇宙历史的最初15亿年内绘制出大爆炸回声的冷却图。“这项新技术为宇宙的演化提供了重要的新见解，否则在这样的早期阶段是很难约束的，”Riechers说。
“我们的团队已经在通过研究其他星系的周围环境来跟进NOEMA，”共同作者和NOEMA项目科学家Roberto Neri博士说。“随着对更大的水云样本的研究在精度上的预期改进，我们目前对宇宙膨胀的基本理解是否成立，还有待观察。”