我们生活在不对称的宇宙中？研究质疑宇宙基本特性
宇宙大尺度上的各向同性，即在各个方向上物质分布均匀、膨胀速率一致，是现代宇宙学的重要基石。不过最近，这一假说遭受了一批天文学家的挑战。借助两台强大的X射线望远镜，以及一个经验性的关系式，他们得出了颇具争议的结论——宇宙在不同方向上的膨胀可能是不均匀的。不过，在另一些天文学家看来，这个令人兴奋的结论，却存在大量值得注意的疑点与漏洞。
挑战宇宙各向同性
当我们用天文望远镜锁定宇宙的一片区域，会观察到什么景象?可能是一颗正在吞噬周围物质的黑洞;可能是伸出旋臂，缓慢旋转的旋涡星系;也可能是看似空无一物的星际空间。这些纷繁复杂的元素，共同构成了这个经历了138亿年演化的宇宙。但是，当我们的视野变得更加开阔，直至以数十亿光年的尺度看待这个宇宙时，这时的宇宙单元依旧是如此丰富而变化多端吗?
不。恰恰相反，无论我们将目光锁定在宇宙的任何方向，宇宙都是一致、没有任何变化的。这就是现代宇宙学的重要基础——宇宙尺度上的各向同性。
宇宙的各向同性源自一个很自然的想法：在宇宙大爆炸之后的暴胀阶段，宇宙空间向各个方向快速膨胀。在这个过程中，宇宙的不均一性被消除。而随后的持续膨胀过程，在各个方向上也不应该存在任何特殊之处。
宇宙各向同性的设想，也得到了大量天文观测数据的支持。尤其是当ArnoPenzias和RobertWilson捕捉到宇宙微波背景辐射(CMB)——宇宙大爆炸38万年时遗留下的辐射印迹时，尽管在局部存在一些涨落，但它在宇宙尺度上均匀的分布，为宇宙各向同性的假说提供了重量证据。
不过最近，这一现代宇宙学的根基遭到了挑战。提出质疑的是德国波恩大学与哈佛-史密森尼天体物理中心的一支联合研究团队，他们借助两台X射线天文望远镜——美国航空航天局(NASA)的钱德拉X射线望远镜，以及欧洲空天局(ESA)XMM牛顿望远镜的X射线观测数据，提出了不同的观点。
线性关系
这项研究关注的焦点，是星系团中的X射线。之前有研究发现，星系团的X射线光度，与弥漫在星系团中的高温气体的温度，存在有趣的线性关系。基于这样的经验关系，天文学家得以通过这样的思路推断X射线源的距离——利用两台X射线望远镜，可以测出星系团中高温气体的X射线辐射，即气体的温度;而气体温度与X射线光度存在线性关系，因此温度可以转化为X射线光度，即X射线源的距离。注意，这里的距离是独立于宇宙膨胀速率的。
此后，研究人员可以通过另一种手段测定这些星系团的距离——只不过，这种测量手段是与宇宙膨胀速率相关的。因此，当这两种手段推断出的星系团距离信息相结合，就能告知我们星系团所处区域的膨胀速率。如果我们拥有来自宇宙不同区域、数量足够多的膨胀速率信息，就有机会验证宇宙各向同性的猜想，或者，找到宇宙各向异性的蛛丝马迹。
研究团队利用当今两台最著名的X射线望远镜，获得了共313个星系团的数据。其中包括钱德拉X射线天文台在191天的曝光时间中，观测到的237个星系团;以及XMM牛顿望远镜在35天内观测到的76个。随后，为了进一步验证其结果，研究团队还结合了此前XMM牛顿望远镜和ASCA宇宙学和天体物理学高新卫星的大量数据。这样，共有近850个星系团的距离信息被用于这项分析。
在这些星系团数据的帮助下，研究人员果然有了令人欣喜的发现：正如下图所示，在两片区域，哈勃常数明显偏离了平均值。其中，黄色区域的宇宙膨胀速率超出了预期;紫色区域的膨胀则比平均数值更慢。一言以蔽之，宇宙的各向同性被打破了。
暗能量分布不均?
如果作者的结论成立，这将是对现代宇宙学的一次强有力的冲击。宇宙在大尺度上的各向异性，意味着我们对于宇宙基本结构的认知，还存在不完善的地方。那么，导致宇宙各向异性的因素可能是什么?
前面已经说到，宇宙微波背景辐射在大尺度上有着几乎完美的均一性。物质在宇宙中的分布仍是均匀的，那么问题，可能来自占据宇宙总质量近70%的暗能量：暗能量，驱动宇宙加速膨胀的力量，自身可能不是均匀分布的。
也就是说，在暴胀产生早期宇宙之后，随后的数十亿年间，暗能量在整个宇宙中的分布并不是我们此前想象的那样均匀——它在一些方向上更加密集，而另一些区域则较为稀薄。这样的差异，造就了宇宙的“倾斜”。
这样的假设并无不妥，因为暗能量本身就是天文学家为了解释宇宙加速膨胀而提出的概念。对于暗能量的构成、分布等信息，我们至今认识有限。如果我们此前对宇宙膨胀空间分布的认识存在偏差，那么暗能量的分布方式自然可以随之改变。
巨大争议
看上去，我们正在见证一项令人激动的突破。这样的可能性当然存在，但问题在于，这项研究的结论或许并不牢靠，甚至有着多项潜在的误差来源。
首当其冲的，是研究方法本身。前文提到，这项研究使用的X射线光度与气体温度的线性关系，是基于经验总结的。在论文图表中，我们能够看到，通过两台望远镜得到的关系斜率有所差异——这是一个非常危险的信号，因为两者的关系不应该随观测工具的不同出现波动。还有科学家发现，相较于其他研究手段，通过星系团得出的结论往往存在不一致性，这为星系团研究的可靠性画上问号。
约翰·霍普金斯大学的天文学家AdamRiess提出了另一种造成误差的可能性。银河系中存在大量气体和尘埃盘，在X射线到达望远镜的过程中，这些气体、尘埃盘可能成为障碍物，妨碍观测者的判断。Riess认为，这个理论并不是凭空猜测：各向异性最明显的区域，恰好与银河系中X射线吸收气体和尘埃最稠密的区域重合。
研究的数据本身，也存在疑点。论文指出，这项结论的置信度≥4-sigma。在物理学中，5-sigma是代表着足够显著性的“金标准”。而4-sigma的结果虽然不算糟糕，但距离“金标准”仍有差距。
最后，如果这项研究的数值真实存在，而不是来自上述误差，那么宇宙各向异性是唯一的解释吗?
不是。天文学家还提出了另一种可能的解释，那就是“整体流”(bulkflow)。理论上，星系团等物质在暗能量的推动下，按照哈勃常数膨胀。然而，在实际观测中，一些星系团移动的速率并不完全等同于哈勃常数，这是因为在暗能量之外，它们还受到了普通物质的作用，而作用力的来源，就是邻近的大型星系团。例如，银河系的本动速率，即相较于哈勃常数的运动运动速率，达到达到631km/s。
同样，在这项研究中，不同星系团展现出的膨胀速率差异，也可能归结于星系团的“整体流”。唯一的问题是空间尺度——此前有研究证实，在不超过10亿光年的范围内，观测到类似的效应。但要解释这项研究中的数据，需要在50亿光年的尺度上支配星系团的运动。
因此，至少目前看来，宇宙各向异性的理论还缺乏足够坚实的证据。在此后一段时间内，相关争论仍将持续下去。论文作者希望，功能更加强大的下一代X射线望远镜，例如俄罗斯与德国联合研制的eROSITA、ESA的“雅典娜”号X射线空间望远镜，将提供更加丰富、范围更广的星系团距离信息。
相关文章
-
宇宙大爆炸前的暴胀“再加热”：疯狂的一切都乱了套
新浪科技讯北京时间12月3日消息，据国外媒体报道，宇宙大爆炸理论称，大约138亿年前，宇宙发生了一场大爆炸;由一个体积无限小，无比致密的奇点状态，开始膨胀、冷却，并引发一系列反应，造就了第一批恒星和星系，以及今天我们见到的所有物质形式。,”“与自身同步”20世纪80年代，麻省理工学院的物理学教授艾伦•古思(AlanGuth)首次提出了宇宙暴胀理论。,量子力学效应预测，当与超高能物质相互作用时，引力
2024-03-22 09:12 -
诺奖得主维尔切克：19年的诺贝尔物理学奖意义深远
来源：环球科学撰文|弗兰克·维尔切克(FrankWilczek)翻译|胡风 梁丁当2019年的诺贝尔物理学奖颁给了詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)、米歇尔·马约尔(MichelMayor)和迪迪埃·奎洛兹(DidierQueloz)。,其中，皮布尔斯因对宇宙物理理论的贡献独享一半奖金，而马约尔和奎洛兹因为发现了绕着类日恒星运动的太阳系外行星而共享另一半奖金。,一般来说，当系统达到了热平
2024-03-22 08:58 -
宇宙射线正在“撕裂”大麦哲伦星系
这些射线本身并不是特别可怕，但如果数量足够多，便会对整个星系造成威胁。,虽然大麦哲伦云在夜空中看似很大，直径达月球的20倍，但它距我们足有16万光年之遥。,它们不断在宇宙中四处穿梭，一跃便是数十亿光年之遥，为所及之处带来灭顶之灾。
2024-03-22 08:41 -
宇宙怎样才能拥有多个维度？
新浪科技讯北京时间2月27日消息，据国外媒体报道，许多科学家都希望能用弦理论来解释宇宙万物。,他们很快意识到，弦理论要想成立，宇宙中一定不止有我们习惯的四个维度。,问题来了，一方面是弦理论要求宇宙中存在多个维度，一方面是我们在宇宙之中只能体验到四个维度，这两大矛盾如何才能做到和谐统一呢?蜷曲与压缩弦理论的概念看似极端，但好在历史上有前身可以追溯。
2024-03-22 08:38 -
宇宙学地震！暗能量根本不存在？
根据量子力学理论，真空中存在大量虚粒子对，它们同时生成后，又在瞬间相互湮灭。,一颗Ia型超新星的红移程度确定了，而它看上去比预期更加黯淡。,或许，宇宙仍然在加速膨胀，但暗能量的比例需要重新计算;又或者，更大胆一点，宇宙没有在加速膨胀，暗能量也根本不存在——所有这一切，都是出于恒星群年龄的差异。
2024-03-22 08:37 -
宇宙是何时“苏醒”的？
到目前为止，宇宙中的大部分物质都是等离子体，就像很久很久以前、电子和原子核各自“分居”一样。,就在最近，一支国际研究人员团队刚刚发现了三个光芒极弱、体积极小、且距我们极为遥远的星系。,虽然天文学家此前已经推测出，再电离化在宇宙满10亿岁前便已结束，但没人想到它竟会开始得这么早。
2024-03-22 08:29 -
宇宙可能是一个巨大的封闭球体，像不断膨胀的气球
新浪科技讯北京时间3月30日消息，据美国生活科学网站报道，宇宙空间是什么形状?我们所知道任何宇宙形状都可以是错误的，依据一项最新研究，宇宙可能不是像床单一样扁平，而是像一个巨大的充气气球。,”因为宇宙背景辐射存在异常，它是我们在宇宙中观测到最古老的现象，是由周围的微波光构成，当人们将恒星、星系和其他干扰阻挡在外时，它就会充满整个空间。,目前，梅奇里承认封闭宇宙模型将对物理学带来很多疑问，他说：“我
2024-03-22 08:22 -
宇宙在膨胀，人们是怎么发现的？
1931年，爱因斯坦到威尔逊山拜访哈勃，他终于承认了宇宙确实在膨胀，并把宇宙学常数称为自己“最大的失误”。,具体定义是：有一束光从宇宙诞生那一刻发出，在今天正好被我们观测到，这个时间范围内光走过的距离，我们用它作为半径，以观测者为中心做一个球，这个球的内部就是可观测宇宙，球面就是粒子视界。,伽莫夫雄心勃勃地认为，4He形成以后，会进一步通过中子俘获和电子衰变过程，产生出化学元素表上的所有元素。
2024-03-22 08:19 -
为什么今天的宇宙是由物质组成的，而不是反物质？
如果这种可能性被证实，那也就可以解释为什么中微子这么轻——大约不到电子质量的六万分之一。,事实上，在夸克中已经发现了CP破坏现象，尽管数量很小，还不足以解释物质-反物质的不平衡。,此外，如果宇宙相变发生在大爆炸后不久，就像理论假设的那样，便可能会产生引力波。
2024-03-22 08:08