宇宙各向異性的理論還缺乏足夠堅(jiān)實(shí)的證據(jù)

文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

宇宙大尺度上的各向同性，即在各個(gè)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(guò)最近，這一假說(shuō)遭受了一批天文學(xué)家的挑戰(zhàn)。借助兩臺(tái)強(qiáng)大的X射線望遠(yuǎn)鏡，以及一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系式，他們得出了頗具爭(zhēng)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(guò)，在另一些天文學(xué)家看來(lái)，這個(gè)令人興奮的結(jié)論，卻存在大量值得注意的疑點(diǎn)與漏洞。

挑戰(zhàn)宇宙各向同性

當(dāng)我們用天文望遠(yuǎn)鏡鎖定宇宙的一片區(qū)域，會(huì)觀察到什么景象?可能是一顆正在吞噬周?chē)镔|(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(wú)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(gè)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(kāi)闊，直至以數(shù)十億光年的尺度看待這個(gè)宇宙時(shí)，這時(shí)的宇宙單元依舊是如此豐富而變化多端嗎?

不。恰恰相反，無(wú)論我們將目光鎖定在宇宙的任何方向，宇宙都是一致、沒(méi)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(gè)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(gè)方向快速膨脹。在這個(gè)過(guò)程中，宇宙的不均一性被消除。而隨后的持續(xù)膨脹過(guò)程，在各個(gè)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(cè)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(wàn)年時(shí)遺留下的輻射印跡時(shí)，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(shuō)提供了重量證據(jù)。

不過(guò)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(guó)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(tuán)隊(duì)，他們借助兩臺(tái)X射線天文望遠(yuǎn)鏡——航空航天局(NASA)的錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡，以及歐洲空天局(ESA)XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡的X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了不同的觀點(diǎn)。

線性關(guān)系

這項(xiàng)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，是星系團(tuán)中的X射線。之前有研究發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)的X射線光度，與彌漫在星系團(tuán)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(yàn)關(guān)系，天文學(xué)家得以通過(guò)這樣的思路推斷X射線源的距離——利用兩臺(tái)X射線望遠(yuǎn)鏡，可以測(cè)出星系團(tuán)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(dú)立于宇宙膨脹速率的。

此后，研究人員可以通過(guò)另一種手段測(cè)定這些星系團(tuán)的距離——只不過(guò)，這種測(cè)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(tuán)距離信息相結(jié)合，就能告知我們星系團(tuán)所處區(qū)域的膨脹速率。如果我們擁有來(lái)自宇宙不同區(qū)域、數(shù)量足夠多的膨脹速率信息，就有機(jī)會(huì)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)利用當(dāng)今兩臺(tái)最著名的X射線望遠(yuǎn)鏡，獲得了共313個(gè)星系團(tuán)的數(shù)據(jù)。其中包括錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)在191天的曝光時(shí)間中，觀測(cè)到的237個(gè)星系團(tuán);以及XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡在35天內(nèi)觀測(cè)到的76個(gè)。隨后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合了此前XMM牛頓望遠(yuǎn)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(gè)星系團(tuán)的距離信息被用于這項(xiàng)分析。

在這些星系團(tuán)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(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)的一次強(qiáng)有力的沖擊。宇宙在大尺度上的各向異性，意味著我們對(duì)于宇宙基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)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(shuō)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(wèn)題，可能來(lái)自占據(jù)宇宙總質(zhì)量近70%的暗能量：暗能量，驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的力量，自身可能不是均勻分布的。

也就是說(shuō)，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(gè)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(wú)不妥，因?yàn)榘的芰勘旧砭褪翘煳膶W(xué)家為了解釋宇宙加速膨脹而提出的概念。對(duì)于暗能量的構(gòu)成、分布等信息，我們至今認(rèn)識(shí)有限。如果我們此前對(duì)宇宙膨脹空間分布的認(rèn)識(shí)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(zhēng)議

看上去，我們正在見(jiàn)證一項(xiàng)令人激動(dòng)的突破。這樣的可能性當(dāng)然存在，但問(wèn)題在于，這項(xiàng)研究的結(jié)論或許并不牢靠，甚至有著多項(xiàng)潛在的誤差來(lái)源。

首當(dāng)其沖的，是研究方法本身。前文提到，這項(xiàng)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(yàn)總結(jié)的。在論文圖表中，我們能夠看到，通過(guò)兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡得到的關(guān)系斜率有所差異——這是一個(gè)非常危險(xiǎn)的信號(hào)，因?yàn)閮烧叩年P(guān)系不應(yīng)該隨觀測(cè)工具的不同出現(xiàn)波動(dòng)。還有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，相較于其他研究手段，通過(guò)星系團(tuán)得出的結(jié)論往往存在不一致性，這為星系團(tuán)研究的可靠性畫(huà)上問(wèn)號(hào)。

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(pán)，在X射線到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的過(guò)程中，這些氣體、塵埃盤(pán)可能成為障礙物，妨礙觀測(cè)者的判斷。Riess認(rèn)為，這個(gè)理論并不是憑空猜測(cè)：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(diǎn)。論文指出，這項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)”。而4-sigma的結(jié)果雖然不算糟糕，但距離“金標(biāo)準(zhǔn)”仍有差距。

最后，如果這項(xiàng)研究的數(shù)值真實(shí)存在，而不是來(lái)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?zhuān)蔷褪?ldquo;整體流”(bulk flow)。理論上，星系團(tuán)等物質(zhì)在暗能量的推動(dòng)下，按照哈勃常數(shù)膨脹。然而，在實(shí)際觀測(cè)中，一些星系團(tuán)移動(dòng)的速率并不完全等同于哈勃常數(shù)，這是因?yàn)樵诎的芰恐?，它們還受到了普通物質(zhì)的作用，而作用力的來(lái)源，就是鄰近的大型星系團(tuán)。例如，銀河系的本動(dòng)速率，即相較于哈勃常數(shù)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速率，達(dá)到達(dá)到631km/s。

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

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