您的位置: 首頁 >科技 >

宇宙各向異性的理論還缺乏足夠堅實的證據(jù)

2022-08-17 01:22:10 編輯:宋忠茂 來源:
導(dǎo)讀 文章來源:環(huán)球科學(xué)宇宙大尺度上的各向同性,即在各個方向上物質(zhì)分布均勻、膨脹速率一致,是現(xiàn)代宇宙學(xué)的重要基石。不過最近,這一假說遭受...

文章來源:環(huán)球科學(xué)

宇宙大尺度上的各向同性,即在各個方向上物質(zhì)分布均勻、膨脹速率一致,是現(xiàn)代宇宙學(xué)的重要基石。不過最近,這一假說遭受了一批天文學(xué)家的挑戰(zhàn)。借助兩臺強大的X射線望遠鏡,以及一個經(jīng)驗性的關(guān)系式,他們得出了頗具爭議的結(jié)論——宇宙在不同方向上的膨脹可能是不均勻的。不過,在另一些天文學(xué)家看來,這個令人興奮的結(jié)論,卻存在大量值得注意的疑點與漏洞。

挑戰(zhàn)宇宙各向同性

當(dāng)我們用天文望遠鏡鎖定宇宙的一片區(qū)域,會觀察到什么景象?可能是一顆正在吞噬周圍物質(zhì)的黑洞;可能是伸出旋臂,緩慢旋轉(zhuǎn)的旋渦星系;也可能是看似空無一物的星際空間。這些紛繁復(fù)雜的元素,共同構(gòu)成了這個經(jīng)歷了138億年演化的宇宙。但是,當(dāng)我們的視野變得更加開闊,直至以數(shù)十億光年的尺度看待這個宇宙時,這時的宇宙單元依舊是如此豐富而變化多端嗎?

不。恰恰相反,無論我們將目光鎖定在宇宙的任何方向,宇宙都是一致、沒有任何變化的。這就是現(xiàn)代宇宙學(xué)的重要基礎(chǔ)——宇宙尺度上的各向同性。

宇宙的各向同性源自一個很自然的想法:在宇宙大爆炸之后的暴脹階段,宇宙空間向各個方向快速膨脹。在這個過程中,宇宙的不均一性被消除。而隨后的持續(xù)膨脹過程,在各個方向上也不應(yīng)該存在任何特殊之處。

宇宙各向同性的設(shè)想,也得到了大量天文觀測數(shù)據(jù)的支持。尤其是當(dāng)Arno Penzias和Robert Wilson捕捉到宇宙微波背景輻射(CMB)——宇宙大爆炸38萬年時遺留下的輻射印跡時,盡管在局部存在一些漲落,但它在宇宙尺度上均勻的分布,為宇宙各向同性的假說提供了重量證據(jù)。

不過最近,這一現(xiàn)代宇宙學(xué)的根基遭到了挑戰(zhàn)。提出質(zhì)疑的是德國波恩大學(xué)與哈佛-史密森尼天體物理中心的一支聯(lián)合研究團隊,他們借助兩臺X射線天文望遠鏡——航空航天局(NASA)的錢德拉X射線望遠鏡,以及歐洲空天局(ESA)XMM牛頓望遠鏡的X射線觀測數(shù)據(jù),提出了不同的觀點。

線性關(guān)系

這項研究關(guān)注的焦點,是星系團中的X射線。之前有研究發(fā)現(xiàn),星系團的X射線光度,與彌漫在星系團中的高溫氣體的溫度,存在有趣的線性關(guān)系?;谶@樣的經(jīng)驗關(guān)系,天文學(xué)家得以通過這樣的思路推斷X射線源的距離——利用兩臺X射線望遠鏡,可以測出星系團中高溫氣體的X射線輻射,即氣體的溫度;而氣體溫度與X射線光度存在線性關(guān)系,因此溫度可以轉(zhuǎn)化為X射線光度,即X射線源的距離。注意,這里的距離是獨立于宇宙膨脹速率的。

此后,研究人員可以通過另一種手段測定這些星系團的距離——只不過,這種測量手段是與宇宙膨脹速率相關(guān)的。因此,當(dāng)這兩種手段推斷出的星系團距離信息相結(jié)合,就能告知我們星系團所處區(qū)域的膨脹速率。如果我們擁有來自宇宙不同區(qū)域、數(shù)量足夠多的膨脹速率信息,就有機會驗證宇宙各向同性的猜想,或者,找到宇宙各向異性的蛛絲馬跡。

研究團隊利用當(dāng)今兩臺最著名的X射線望遠鏡,獲得了共313個星系團的數(shù)據(jù)。其中包括錢德拉X射線天文臺在191天的曝光時間中,觀測到的237個星系團;以及XMM牛頓望遠鏡在35天內(nèi)觀測到的76個。隨后,為了進一步驗證其結(jié)果,研究團隊還結(jié)合了此前XMM牛頓望遠鏡和ASCA宇宙學(xué)和天體物理學(xué)高新衛(wèi)星的大量數(shù)據(jù)。這樣,共有近850個星系團的距離信息被用于這項分析。

在這些星系團數(shù)據(jù)的幫助下,研究人員果然有了令人欣喜的發(fā)現(xiàn):正如下圖所示,在兩片區(qū)域,哈勃常數(shù)明顯偏離了平均值。其中,黃色區(qū)域的宇宙膨脹速率超出了預(yù)期;紫色區(qū)域的膨脹則比平均數(shù)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?

如果作者的結(jié)論成立,這將是對現(xiàn)代宇宙學(xué)的一次強有力的沖擊。宇宙在大尺度上的各向異性,意味著我們對于宇宙基本結(jié)構(gòu)的認知,還存在不完善的地方。那么,導(dǎo)致宇宙各向異性的因素可能是什么?

前面已經(jīng)說到,宇宙微波背景輻射在大尺度上有著幾乎完美的均一性。物質(zhì)在宇宙中的分布仍是均勻的,那么問題,可能來自占據(jù)宇宙總質(zhì)量近70%的暗能量:暗能量,驅(qū)動宇宙加速膨脹的力量,自身可能不是均勻分布的。

也就是說,在暴脹產(chǎn)生早期宇宙之后,隨后的數(shù)十億年間,暗能量在整個宇宙中的分布并不是我們此前想象的那樣均勻——它在一些方向上更加密集,而另一些區(qū)域則較為稀薄。這樣的差異,造就了宇宙的“傾斜”。

這樣的假設(shè)并無不妥,因為暗能量本身就是天文學(xué)家為了解釋宇宙加速膨脹而提出的概念。對于暗能量的構(gòu)成、分布等信息,我們至今認識有限。如果我們此前對宇宙膨脹空間分布的認識存在偏差,那么暗能量的分布方式自然可以隨之改變。

巨大爭議

看上去,我們正在見證一項令人激動的突破。這樣的可能性當(dāng)然存在,但問題在于,這項研究的結(jié)論或許并不牢靠,甚至有著多項潛在的誤差來源。

首當(dāng)其沖的,是研究方法本身。前文提到,這項研究使用的X射線光度與氣體溫度的線性關(guān)系,是基于經(jīng)驗總結(jié)的。在論文圖表中,我們能夠看到,通過兩臺望遠鏡得到的關(guān)系斜率有所差異——這是一個非常危險的信號,因為兩者的關(guān)系不應(yīng)該隨觀測工具的不同出現(xiàn)波動。還有科學(xué)家發(fā)現(xiàn),相較于其他研究手段,通過星系團得出的結(jié)論往往存在不一致性,這為星系團研究的可靠性畫上問號。

約翰·霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家Adam Riess提出了另一種造成誤差的可能性。銀河系中存在大量氣體和塵埃盤,在X射線到達望遠鏡的過程中,這些氣體、塵埃盤可能成為障礙物,妨礙觀測者的判斷。Riess認為,這個理論并不是憑空猜測:各向異性最明顯的區(qū)域,恰好與銀河系中X射線吸收氣體和塵埃最稠密的區(qū)域重合。

研究的數(shù)據(jù)本身,也存在疑點。論文指出,這項結(jié)論的置信度≥4-sigma。在物理學(xué)中,5-sigma是代表著足夠顯著性的“金標準”。而4-sigma的結(jié)果雖然不算糟糕,但距離“金標準”仍有差距。

最后,如果這項研究的數(shù)值真實存在,而不是來自上述誤差,那么宇宙各向異性是唯一的解釋嗎?

不是。天文學(xué)家還提出了另一種可能的解釋,那就是“整體流”(bulk flow)。理論上,星系團等物質(zhì)在暗能量的推動下,按照哈勃常數(shù)膨脹。然而,在實際觀測中,一些星系團移動的速率并不完全等同于哈勃常數(shù),這是因為在暗能量之外,它們還受到了普通物質(zhì)的作用,而作用力的來源,就是鄰近的大型星系團。例如,銀河系的本動速率,即相較于哈勃常數(shù)的運動運動速率,達到達到631km/s。

同樣,在這項研究中,不同星系團展現(xiàn)出的膨脹速率差異,也可能歸結(jié)于星系團的“整體流”。唯一的問題是空間尺度——此前有研究證實,在不超過10億光年的范圍內(nèi),觀測到類似的效應(yīng)。但要解釋這項研究中的數(shù)據(jù),需要在50億光年的尺度上支配星系團的運動。

因此,至少目前看來,宇宙各向異性的理論還缺乏足夠堅實的證據(jù)。在此后一段時間內(nèi),相關(guān)爭論仍將持續(xù)下去。論文作者希望,功能更加強大的下一代X射線望遠鏡,例如俄羅斯與德國聯(lián)合研制的eROSITA、ESA的“雅典娜”號X射線空間望遠鏡,將提供更加豐富、范圍更廣的星系團距離信息。


免責(zé)聲明:本文由用戶上傳,如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除!

最新文章

精彩推薦

圖文推薦

點擊排行

2016-2022 All Rights Reserved.平安財經(jīng)網(wǎng).復(fù)制必究 聯(lián)系QQ280 715 8082   備案號:閩ICP備19027007號-6

本站除標明“本站原創(chuàng)”外所有信息均轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng) 版權(quán)歸原作者所有。