一個國際天體物理學家小組發現了一種新的方法來估計大爆炸後僅8.8億年的年輕宇宙的宇宙微波背景溫度。這是第一次在宇宙如此早期的時代測量宇宙微波背景輻射的溫度–這是大爆炸釋放的能量的遺跡。

流行的宇宙學模型假設宇宙自大爆炸以來已經冷卻–並且仍在繼續冷卻。該模型還描述了冷卻過程應該如何進行，但到目前為止，它只在相對較近的宇宙時代被直接證實。這一發現不僅為宇宙背景溫度的發展樹立了一個非常早期的里程碑，而且還可能對神秘的暗能量產生影響。相關論文於2022年2月2日發表在《自然》雜誌上。

科學家們利用位於法國阿爾卑斯山的北方擴展毫米波陣列(NOEMA)觀測站，即北半球最強大的射電望遠鏡，來觀測HFLS3，這是一個巨大的星系，其距離相當於大爆炸後僅8.8億年的年齡。他們發現了一個冷水氣體的“屏幕”，在宇宙微波背景輻射上投下了陰影。陰影的出現是因為較冷的水在走向地球的路上吸收了較熱的微波輻射，它的黑暗顯示了溫度的差異。由於水的溫度可以通過觀察到的星體的其他特性來確定，這個差異表明了大爆炸遺留輻射的溫度，當時的溫度比今天的宇宙高約七倍。

首席作者、科隆大學天體物理研究所的Dominik Riechers教授說：“除了證明冷卻之外，這一發現還向我們表明，宇宙在其初始階段有一些相當具體的物理特徵，這些特徵今天已經不存在了。”他繼續說：“相當早的時候，大約在大爆炸後15億年，宇宙微波背景已經太冷了，這種效應是可以觀察到的。因此，我們有一個獨特的觀察窗口，它只向一個非常年輕的宇宙開放。”換句話說，如果今天存在一個與HFLS3屬性相同的星系，那麼水雲的陰影將無法被觀測到，因為所需的溫度對比將不復存在。

“這個重要的里程碑不僅證實了預期的比以前可能測量的時間更早的冷卻趨勢，而且還可能對難以捉摸的暗能量的性質產生直接影響，”來自波恩馬克斯-普朗克射電天文研究所（MPIfR）的共同作者Axel Weiss博士說。暗能量被認為是過去幾十億年來宇宙加速膨脹的原因，但是它的特性仍然不為人所知，因為它無法用目前可用的設施和儀器直接觀測到。然而，它的特性影響了宇宙膨脹的演變，從而影響了宇宙在宇宙時間內的冷卻速度。

基於這個實驗，暗能量的特性–目前–仍然與愛因斯坦提出的“宇宙學常數”的特性一致。Weiss解釋說：“也就是說，在一個膨脹的宇宙中，暗能量的密度不會改變。”

在宇宙早期的一個星系中發現了一個這樣的冷水雲，該團隊現在正著手在天空中尋找更多的冷水雲。他們的目標是在宇宙歷史的最初15億年內繪製出大爆炸迴聲的冷卻圖。“這項新技術為宇宙的演化提供了重要的新見解，否則在這樣的早期階段是很難約束的，”Riechers說。

“我們的團隊已經在通過研究其他星系的周圍環境來跟進NOEMA，”共同作者和NOEMA項目科學家Roberto Neri博士說。“隨著對更大的水雲樣本的研究在精度上的預期改進，我們目前對宇宙膨脹的基本理解是否成立，還有待觀察。”