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宇宙开始变得有些怪异:膨胀速度太快,可能变得更薄

北京时间 9 月 15 日消息,据国外媒体报道,目前,宇宙开始变得有点怪异,近几年来,宇宙学家一直被宇宙膨胀速度的差异性所困扰,依据早期宇宙释放的远古光线,他们能分析出宇宙膨胀速度,但显然现代宇宙膨胀速度太快了。对此科学家提出一个重要线索,认为大家忽略了宇宙的基本成分,或者忽略了这些基本成分是如何混合在一起。

目前,科学家提出第二个重要线索——“宇宙可能形成的标准模型”,今年 7 月底,科学家宣称,现代宇宙看起来出乎意料地薄,星系、气体和其他物质并未按照预期那样聚集在一起。早先的一项研究也给出了类似的提示,但目前科学家基于 7 年观测数据的最新分析,是迄今最为清晰地指向异常现象的独立证据。

加拿大滑铁卢大学宇宙学家迈克尔 · 哈德森(Michael Hudson)说:“如果现在将天体物理学家聚在一起,那么所有的讨论都将围绕以上结果展开。”像大多数测量当今宇宙大尺度结构的方法一样,该项研究充满了技术挑战和各种困难,也有可能最终结果具有偶然性。然而,一些研究人员想知道,是否越古怪的测量方法能预示着发现一种新的宇宙介质。

哈德森说:“我们已发现宇宙存在暗物质和暗能量,我不希望再引入其他什么‘暗事物’。”

另一组警钟

研究宇宙结构的主要困难主要在于宇宙是无形的,天文学家在星系聚集成闪亮星团的区域能观测到较大的宇宙结构,但是他们仍然无法察觉到昏暗的气体束,这些气体束以节点的形式编织成一个巨大的宇宙网络。更糟糕的是,大多数人认为星系和气体轨迹只不过是构成宇宙大部分无形 “暗物质”的坚固框架上的装饰性金属丝。

这项最新调查是迄今为止揭示宇宙不可见事物的最完善技术实施,当来自遥远星系的光线到达地球时,它经过了暗物质纤维和昏暗的气体云,较密集区域将对星系光线产生引力牵引,使光线路径发生扭曲。当遥远星系的光线到达地球陆基望远镜时,它已发生了微妙地扭曲变化,可能被挤压成一个夸张的椭圆结构。然后,天文学家试图通过测量分布在广袤宇宙区域的大量遥远星系的形状统计扭曲现象,从而绘制不可见的暗物质。

在这项最新研究中,“千度勘测(KiDS)”是一项天文广域勘测活动,观察了地球 100 亿光年之外的 3100 万个星系,然后天文学家利用这些观测数据计算宇宙隐藏气体和暗物质的平均分布,结果显示宇宙气体和暗物质比之前创立的宇宙模型——冷暗物质模型(ΛCDM)稀薄 10%。

从统计学角度看,这种差异非常大,以至于取样不均导致结果误差概率约 1400 分之一,远高于该领域的严格标准(误差概率为 170 万分之一)。英国爱丁堡大学宇宙学家玛丽卡 · 阿斯加里(Marika Asgari)称,这种令人紧张的差异数据令人耐以寻味或者引发人们的好奇心。更重要的是,其他独立测量结果也支持这样的发现,即现今的宇宙似乎变薄了。

哈德森说:“这是另一组警钟!”他试图通过观察星系如何在宇宙中漂浮来解释宇宙中隐藏的神秘物质,如果这些神秘物质完美地分布在宇宙之中,宇宙的膨胀过程会以一种被称为 “哈勃流”的漂移运动,将所有宇宙物质平移地分离。然而,宇宙充满了空隙和富含暗物质的超星系团,超星系团的引力将星系拉得更近,而宇宙空隙则让星系 “自由漂移”。通过测量超新星的 “特殊速度”——偏离哈勃流的速度等级,哈德森和同事绘制了宇宙隐藏质量地图。

2015 年,哈德森首次暗示宇宙还没有聚集足够多的物质,随后的本动速度地图描绘了同样令人不解的物质平滑移动。他和同事在今年 7 月份发表了一份研究报告,推断出一种缺少宇宙物质聚块的现象,几乎和千度勘测(KiDS)发现的结果相近——宇宙中的气体和暗物质比之前创建的宇宙模型稀薄 10%。

此外,在过去 8 年时间里,科学家使用不同技术至少进行了 12 次调查发现,结果显示现今的宇宙有点薄了。每项研究本身并没有什么意义,但一些宇宙学家越来越怀疑,所有的测量结果都低于理论预测,而不是宇宙物质均匀分布。

哈德森说:“当你开始在一大堆不同数据集中发现共同特征时,我想这足以说明点什么了!”

矛盾的异常现象

如果现今的宇宙开始变薄,科学家仍不清楚其具体的意义。宇宙的标准模型与观测结果非常吻合,理论家们不能随意添加新数据,对早期宇宙最精确的测量来自普朗克的合作项目,该项目于 2018 年公布了最终结果,美国杜克大学研究宇宙膨胀率的宇宙学家丹尼尔 · 斯科拉尼克(Daniel Scolnic)称,我们很难提出不突破普朗克测量结果的研究结果。

他们现在试图完成两项相互矛盾的任务,为了解决宇宙膨胀的原始问题,他们需要一种能给宇宙一个额外推力的现象,但要解决这个新的异常现象,他们必须削弱使宇宙凝聚的引力影响。当这两个问题摆在一起时,普朗克合作小组成员、德国亚琛工业大学理论宇宙学家朱利安 · 莱古尔格斯(Julien Lesgourgues)说:“对这两个问题进行合理解释真得很难,就像一场噩梦!”

例如:为了解释宇宙膨胀速度,一些理论学家试图在早期宇宙中加入 “暗辐射”理论,但是他们必须用额外的宇宙物质平衡额外的宇宙辐射,这些宇宙物质会使宇宙变得更厚。因此,对于现今所观测到的宇宙,必须是各种暗成分之间创造额外的相互作用,才实现宇宙变得更薄。

另一种可能性是,将宇宙聚集在一起的暗物质转变成暗能量,从而促使宇宙物质分离;也可能是地球处于一个巨大的宇宙空隙,导致我们的观测结果发生了扭曲。或者这两种异常现象可能毫无关联,哈德森说:“我还没有观测到任何令人信服的事物,但如果我是一个理论学家,我现在会非常兴奋!”

随着观测数据逐渐增多,其中一种或者两种解释观点将被推翻,千度勘测(KiDS)是当前正在进行的三个弱引力透镜勘测调查之一,另外两个是在智利进行的国际暗能量调查,以及基于夏威夷斯巴鲁望远镜进行的日本 “超主焦点相机(Hyper Suprime-Cam)”调查项目。每一个勘测调查都可以扫描宇宙不同区域,不同深度。暗能量调查的最新活动结果将在未来几个月公布,该勘测活动覆盖宇宙范围是千度勘测的五倍,每个人都在期待着,这将宇宙学的下一个重大发现!

美国杜克大学的迈克尔 · 特路赛(Michael Troxel)在暗能量调查中从事弱引力透镜工作,他赞扬了 KiDS 研究团队将这项技术推向了精确新高度,并且覆盖了前所未有的宇宙空间。但他也强调称,堆积如山的技术挑战使我们很难深入解读一种测量方法。在数十亿光年的距离上,星系看上去只是像素,使得对其形状的分析变得非常复杂。研究人员还需要知道每个星系距离我们有多远,距离产生的不确定性处理可能会弱化或者夸大这种张力。

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