一种新的宇宙张力:宇宙可能太薄

整个2019-20年,宇宙学的上空有一大团铅云。最近几年,宇宙学家一直对宇宙过快的膨胀速度怀有疑虑。但一直安慰自己,那可能是仪器精度的问题。结果,在这两年,他们用最先进的仪器和技术,测量出的结果反而让所谓的宇宙学标准模型出现了一条裂缝:应用两种手段测量出的宇宙膨胀速度,数值上的差异无法被看做是误差;还不止于此,现有证据暗示,我们宇宙中的物质定律,不是在各个方向上都一致的,似乎存在一个特殊的方向,在那个方向上宇宙的参数会发生变化。

到现在,让宇宙学家心惊肉跳的东西还在不断冒出。宇宙学标准模型中正出现第二个裂缝。

7月下旬,科学家宣布现代宇宙看起来过于稀薄。星系,气态物质和其他物质并没有像理论要求的那样聚集在一起。一些较早的研究提供了类似的证据,但是新一代分析综合了历史上7年的数据,是迄今最为清晰的指向异常现象的独立证据。

加拿大滑铁卢大学的宇宙学家迈克尔·哈德森说:“如果现在把天体物理学家聚在一起,那么所有讨论都将与围绕上面的结果展开。我们已经有了暗物质和暗能量。我不希望再引入要其他什么暗东西。

这项新研究应用迄今为止最精细的观测手段,用于揭示看不见的东西。当来自遥远星系的光子进入地球时,它穿过暗物质的原纤维结构和暗淡的气态物质。后者在引力的作用下拉动光线,使它们的路径弯曲。

遥远星系的光线射入地面望远镜时,它已被微妙地扭曲了——星系的外轮廓或许被挤压成一个夸张的椭圆。然后,天文学家统计广阔范围内大量遥远星系形状的畸变效果,来绘制看不见的暗物质星图。

KiDS的研究人员从最远100亿光年的距离考察了大约3100万个星系。然后,他们使用这些观测值来计算宇宙不可见气态物质和暗物质的平均分布。他们发现物质团比已建立的被称为Lambda冷暗物质或ΛCDM的宇宙学模型的预测结果薄了近10%。

从统计学上讲,差异是如此之大,以至于取样不均导致结果误差偏大的几率约为1400分之一——远低于该领域的严格标准(170万分之一)。爱丁堡大学宇宙学家,KiDS成员马里卡·阿斯加里表示:“当前学界的紧张局势既令人着迷又令人不安。”

更重要的是,其他独立的测量结果也显示出,当代宇宙似乎太稀薄了。哈德森试图通过观察星系在宇宙流中的漂移来推算宇宙的物质分布图。如果物质在气态物质背景中完美分布,那么宇宙的膨胀将通过被称为哈勃流的方式将所有物质平稳地推开。但是宇宙充满了空洞和富含暗物质的超团块。超团的引力使星系更靠近,星系间的空隙供自由飞翔。通过测量超新星的“奇异速度”(他们从当地哈勃流中偏转了多少),哈德森和合作者创建了宇宙的隐藏质量地图。

最早的线索出现在2015年,随后超新星的奇异速度图也展现出了令人不安的平滑度。此外,在过去8年里,至少有12项使用不同技术的调查都发现,当今宇宙略微单薄。每个研究仅具有局部的意义,但是宇宙学家越来越怀疑,所有局部测量值都低于理论预测值。

哈德森说:“从大量不同的数据集中看到相同的东西,我想那就足以说明点什么。”

如果当前结论是正确的,宇宙学家也不清楚那意味着什么。所以理论学家不敢随便修正现有的宇宙学模型。

就像最开始所言,宇宙学家还要解释宇宙膨胀速度的问题。

他们寻求同时完成两个相互矛盾的任务。为了解决宇宙膨胀的问题,他们需要一种现象,给宇宙带来额外的冲击。但是要解释宇宙为何比理论上更加稀薄,他们必须减弱使宇宙团块化的引力。RWTH亚琛大学理论宇宙学家,普朗克研究所的合作成员之一朱利安·莱斯古格斯说,当把这两个问题放在一起时,“为它们俩找到一个合理解释就成了噩梦。”

例如,为了解释膨胀速度,一些理论家尝试在早期宇宙中引入“暗辐射”的过程。但是他们必须用额外的物质来平衡额外的辐射,这会使宇宙“变厚”。

另一种可能性是,将宇宙凝聚在一起的暗物质转化为暗能量。或许地球正位于一处巨大的时空裂隙间,所以人类的观察结果被歪曲。再或者,两处异常可能毫无关系。哈德森说:“我没有发现任何令人信服的东西,但如果我是理论学家,我现在会非常兴奋。”

或许可以通过更精确的测量修正数据。KiDS是当前正进行的三大弱引力透镜研究项目之一,另两个分别是智利的国际 Dark Energy Survey项目和日本Subaru望远镜的Hyper Suprime-Cam项目。每个项目扫描不同方向的天域。Dark Energy Survey的最新结果将在未来几个月内发布,它覆盖的天空面积是KiDS的5倍。“每个人都在等待它,这是宇宙学的下一件大事。”

原文:https://www.quantamagazine.org/a-new-cosmic-tension-the-universe-might-be-too-thin-20200908/

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