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宇宙沒有想象的那么“疙疙瘩瘩”

2020-09-01 科技日報 張曄
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  視覺中國供圖

  在利用位于智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(VLT)對超過3000萬個星系觀測7年后,科學家發現宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。

  宇宙中的天體分布到底是均勻的還是不均勻的?科學家一直在尋找答案。

  過去,在愛因斯坦廣義相對論的理論框架下,根據宇宙學標準模型預測,科學家認為宇宙早期經歷了一個被稱為“暴脹”的急速膨脹階段,這一階段的量子漲落造成了宇宙的密度漲落。隨著宇宙的演化,漲落越來越大,宇宙也就慢慢地變得不那么均勻了。

  近日,據國外媒體報道,經過為期7年的千度調查(KiDS),科學家利用位于智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(VLT),觀測了距離地球100億光年的宇宙中超過3000萬個星系。結果顯示,宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。

  宇宙均勻性是什么?科學家又是怎樣計算出整個宇宙的均勻性?此次觀測結果比模型預測高出10%意味著什么?

  技術進步使均勻性驗證成可能

  目前,用來描述宇宙大爆炸和宇宙進化的標準模型為弗里德曼模型,其理論基礎是愛因斯坦于1915年發表的廣義相對論。

  廣義相對論實質上是關于引力的理論。1922年,俄國物理學家亞歷山大·弗里德曼將廣義相對論應用于整個宇宙,建立了第一個宇宙模型。

  也就是說,愛因斯坦的廣義相對論和弗里德曼最初提出的宇宙模型,演化成為一個共同的假設:宇宙是均勻和各向同性的。這就意味著,宇宙的均勻性在任何位置、任何方向上都應該是一樣的。這一假設是現代宇宙學的基礎,即宇宙學原理。這一原理是否正確最終需要觀測驗證,綜合星系計數、射電源計數和微波背景輻射等各種觀測結果,這一原理的正確性是有保證的。

  然而,當我們將目光投向宇宙時,看到的卻是另一幅景象:億萬顆恒星組成了星系,星系組成星系團,星系團又組成超星系團……甚至還有一個個星系組成的盤根錯節的星系“鏈”。這樣看來,宇宙到底是均勻的還不均勻的呢?

  “如果把宇宙分成一個個大塊,每個大塊的密度是相對均勻的。但是每個大塊內的物質又有不同的結構,有的區域物質密度非常大,我們稱之為核;有的區域密度非常小,我們稱之為空洞。核與核之間還通過絲狀物質分布結構相連接。”中國科學院紫金山天文臺副研究員馮磊告訴科技日報記者,“宇宙的物質分布就像是平衡態,各種天體結構就像是平衡態的漲落。”

  科學家認為,當初做出這一假設有兩個原因:一是從實用的角度考慮,因為用來描述宇宙的方程太復雜了,如果宇宙不是均勻的,求起解來非常困難,也就無法直觀地描述所觀測的各類天體;二是由于觀測手段的匱乏,當時的科技水平遠遠無法支撐人類對遙遠宇宙的探索,沒有人知道宇宙在大尺度結構上是什么樣子的。這樣一來,把宇宙設想成最簡單的形式也就合情合理了。

  此前人們沒有能力從觀測上對這一假設進行驗證。但隨著觀測技術的進步,我們能看到的宇宙區域越來越廣,終于可以對其進行驗證。

  均勻與否和觀測尺度有關

  也許未來的某一天,人類可以飛出太陽系,飛向距離太陽系最近的鄰居——半人馬座,來一趟說走就走的旅行。

  但是,作為一名太空旅客,你可能會感到異常乏味,覺得這次旅游是一個很糟糕的決定,盡管兩地相距僅有4.2光年,旅途中大部分時間都見不到一點物質的影子。

  從科學上理解,這表示在相對較小的尺度范圍內宇宙并非均勻分布。

  那么,在大尺度范圍內宇宙是否就一定是均勻的呢?許多科學家都認為,宇宙就像是海洋,從近處看波浪迭起,但從高空看,卻光滑如鏡。

  但是在20世紀80年代,人們通過大范圍的星系紅移巡天觀測發現:宇宙的均勻性與尺度有直接關系,即使從上億光年的尺度上看,宇宙空間里星系都并非均勻分布,而是呈現出許多空洞和纖維狀的結構,只有在幾十億光年的尺度上星系分布才變得均勻。

  “在星系與星系之間,宇宙中的可見物質遠遠不足以把星系連成一片,構成星系團,如果不是存在一種神秘而不可見的物質,星系團早就分崩離析了。”馮磊告訴科技日報記者,科學家把這種看不見的神秘物質稱為暗物質。宇宙由天體、暗物質、暗能量組成,其中暗物質和暗能量占宇宙的95%,許多看起來空無一物的宇宙空間中卻是“暗”流涌動。我們通常把普通物質、冷暗物質和宇宙學常數組成的加速膨脹宇宙學模型稱為標準宇宙模型。

  總之,盡管從某一角度來說,宇宙是不均勻的,但是在大尺度上,宇宙的物質分布是均勻的,標準宇宙模型還可以繼續用下去。

  或將改寫經典宇宙學理論

  宇宙的均勻性其實并非一成不變。

  宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測表明,宇宙在38萬歲的時候,有的地方溫度高,有的地方溫度低,這種溫度的漲落與平均溫度的比值大約是1/100000。“我們也可以把溫度的漲落看成光子密度的漲落,可以作為宇宙均勻性的輸入初始值。”馮磊說道。

  但是,隨著宇宙的“成長”,密度的漲落會慢慢地變大。密度較大的物質會通過引力“襲擊”周圍區域,把其他物質吸引過來,就像滾雪球一樣越來越大。

  這就帶來一個問題,宇宙的均勻性會慢慢偏離初始值,變得越來越不均勻。這一過程是精確可算的,根據測量結果,還可以檢驗標準宇宙模型的準確性。

  此次千度調查項目(KiDS)的觀測結果顯示,宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。也就意味著,標準宇宙模型預測的結果“略顯夸張”。

  據悉,這項觀測采用的是弱引力透鏡方法。這種方法通過測量光經過天體時傳播路徑的彎曲來推算宇宙的物質分布。這與另一項名為重子振蕩光譜調查(BOSS)的單獨研究對星系群的觀察相結合,提供了對暗物質分布的精確測量。

  如果這些發現是正確的,它們可能會有一些廣泛的影響。這可能意味著,大尺度上的引力與人們想象的不同,正如愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣,物質落入宇宙密集區域的速度比預期的要慢。又或者,人們對暗能量的理解還遠遠不夠,因為暗能量被認為是造成宇宙加速膨脹的“幕后推手”。

  但是,這一觀測結果目前仍存爭議。馮磊認為,雖然這個項目持續7年觀測了3000萬個星系,約占宇宙的5%,但也有一種可能是這5%的空間恰恰是比較均勻的,所以還需要其他天區的相關數據進行對比,才能更好地確定宇宙的均勻性。

  由于這一觀測結果來得極其突然,全球的天文學家在震驚之余還沒有開展相應的研究。“如果這一結果被證明是對的,那么我們就要反過來思考廣義相對論和宇宙學參數是否需要修改。”馮磊告訴記者,這可能會顛覆人們對宇宙演化的理解。

打印 責任編輯:張芳丹
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