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观测7年后发现,宇宙没有想象的那么“疙疙瘩瘩”

作者:张晔   文章来源: 科技日报   发表时间:2020-08-26    点击量:

 

  当我们抬头仰望星空的时候,用望远镜和肉眼看往往会呈现完全不同的画面,就像脚下的柏油路面,远看非常平整,凑近了瞧却是麻麻点点。

  过去,在爱因斯坦广义相对论框架下,根据宇宙学标准模型预测,科学家认为宇宙早期经历了一个称之为“暴涨”的急速膨胀阶段,这一阶段的量子涨落造成了宇宙的密度涨落。随着宇宙的演化,涨落越来越大,宇宙也就慢慢地变得不那么均匀了。

  近日有科学家宣布,经过为期7年的千度调查(KiDS),他们使用位于智利的欧洲南方天文台超大望远镜(VLT),观测了距离地球100亿光年的宇宙中超过3000万个星系。结果显示,宇宙的均匀性比宇宙学标准模型预测的要高出近10%。研究人员已经将相关论文提交给了《天文学与天体物理学》。

  宇宙均匀性是什么?科学家又是怎样测量整个宇宙的均匀性?此次观测结果比模型预测高出10%意味着什么?深入探讨这些问题将有助于我们更好地认识身处的这片深邃宇宙。

  人类为何关注宇宙的均匀性

  现在用来描述大爆炸和宇宙进化的标准模型叫弗里德曼模型,其理论基础是爱因斯坦1915年发表的广义相对论。

  广义相对论实质上是关于引力的理论。1922年,俄国物理学家亚历山大•弗里德曼将广义相对论应用于整个宇宙,建立了第一个宇宙模型。

  也就是说,爱因斯坦的广义相对论和弗里德曼最初提出宇宙模型,演化成为一个共同的假设:宇宙是均匀和各向同性的。也就是说,宇宙在任何位置、任何方向上都应该是一样的。这一假设是现代宇宙学的基础假,也被称之为宇宙学原理。这一原理是否正确最终需要观测验证,综合星系计数、射电源计数和微波背景辐射等各种感测结果,这一原理的正确性是有保证的。

  然而,当我们观测宇宙时,看到的却是另一幅景象:亿万颗恒星组成了星系,星系组成星系团,星系团又组成超星系团……甚至还有一个个星系组成的盘根错节的星系“链”。这样看来,宇宙到底是均匀的还不均匀的呢?

  “如果把宇宙分成一个个大块,每个大块的密度是相对均匀的,但是每个大块内的物质又有结构。有的区域物质密度非常大,我们称之为核。有的区域密度非常小,我们把它叫做空洞。核与核之间还有丝状物质分布结构相连接。”中国科学院紫金山天文台冯磊副研究员告诉科技日报记者。“宇宙的物质分布就像是平衡态,各种天体结构就像是平衡态的涨落。”

  科学家们认为,当初做出这一假设有两个原因:一是从实用的角度考虑,因为用来描述宇宙的方程太复杂了,如果宇宙不是均匀光滑的,求起解来非常困难,也就无法直观地描述观测的各个天体;二是因为当时观测手段的匮乏,当时的科技远远无法支撑人类对遥远宇宙空间的探索,没有人知道宇宙在大尺度结构上是什么样子的,这样一来,把宇宙设想成最简单的形式也就合情合理了。

  在20世纪的大多数时间里,人们没有能力从观测上对这一假设进行验证。但随着观测技术的进步,我们能看到的宇宙区域越来越广,现在终于可以验证了。

  观测尺度与暗能量非常关键

  将来的某一天,人类或许可以飞出太阳系,譬如去距离太阳系最近的邻居半人马座来一趟说走就走的旅行。

  但是,作为一名太空游的旅客,你可能会感到异常乏味,觉得这次旅游是很糟糕的决定,因为旅途中大部分时间都见不到一点物质的影子,尽管两地相距仅有4.2光年(合大约200亿千米)。

  从科学上理解,这表示在相对较小的尺度范围内宇宙并非均匀。

  那么,在大尺度范围内宇宙是否就一定是均匀的呢?有许多科学家认为,宇宙就像是海洋,从近处看波浪迭起,但从高空看全景图,却光滑如镜。

  但是上世纪80年代,人们通过大范围的星系红移巡天(CfA红移巡天)观测发现:宇宙的均匀性与尺度有直接关系,即使从上亿光年的尺度上看,在宇宙空间里星系都并非均匀分布,呈现出许多空洞和纤维状的结构,只有到几十亿光年的尺度上星系分布才变得均匀。

  “在星系与星系之间,宇宙中可见物质远远不足以把星系连成一片,构成星系团,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系团早就分崩离析。”中国科学院紫金山天文台冯磊副研究员告诉记者,科学家把这种看不见的神秘物质称为暗物质。宇宙由天体、暗物质、暗能量组成,其中暗物质和暗能量占据宇宙的95%,许多地方看起来空无一物的宇宙空间却是暗流涌动。我们通常把普通物质,冷暗物质和宇宙学常数组成的加速膨胀宇宙学模型叫做标准宇宙模型。

  总的来说,尽管从某一角度来说,宇宙是不均匀的,但是在大尺度上,宇宙的物质分布是均匀的,标准宇宙模型还可以继续用下去。

  经典宇宙学理论是否将改写

  宇宙的密度均匀性其实并非一成不变。

  “早在宇宙的早期就有密度涨落。”中国科学院紫金山天文台冯磊副研究员说,137亿年前的大爆炸之后,宇宙经历了一段被称为“暴涨”的急速膨胀时期,宇宙的物质涨就落起源于“暴涨”时期的量子涨落。

  宇宙微波背景辐射(CMB)的观测表明,宇宙年龄38年的时候,有的地方温度高,有的地方温度低,这种温度的涨落与平均温度的比值大约是1/100000,“我们也可以把温度的涨落看成光子密度的涨落,可以作为宇宙均匀性的输入初始值。”冯磊说道。

  但是,随着宇宙的生长,密度的涨落会慢慢的生长、变大。密度越大的物质会通过引力“袭击”周围区域,把其它物质吸引过来,就像滚雪球一样越来越大。

  这就带来一个问题,宇宙的均匀性会慢慢偏离初始值,变得越来越不均匀。这一过程是精确可算的。我们根据测量结果,还可以检验标准宇宙模型的准确性。

  此次千度巡天(KiDS)项目的观测的结果显示,宇宙的均匀性比宇宙学标准模型预测的要高出近10%。也就意味着,标准宇宙模型预测的结果“略显夸张”。

  据悉,这项观测采用的弱引力透镜方法,这种方法通过测量光经过天体附近时传播路径的弯曲来推算宇宙的物质分布。这与另一项名为重子振荡光谱调查(BOSS)的单独研究对星系群的观察相结合,提供了对暗物质分布的精确测量。

  如果这些发现是正确的,它们可能会有一些广泛的影响。这可能意味着,大尺度上的引力与人们想象的不同,正如爱因斯坦广义相对论所预测的那样,物质落入宇宙密集区域的速度比预期的要慢。或者,人们对暗能量的理解还远远不够。暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的动力。

  但是,这一观测目前仍存争议。冯磊认为,虽然这个项目持续7年观测了3000万个星系,约占宇宙的5%,但是也有一种可能是这5%的空间恰恰是比较均匀的。这需要其它天区的数据进行对比。

  由于这一观测结果来得极其突然,全球的天文学家在震惊之余还没有开展相应的研究。“如果这一结果被证明是对的,那么我们就要反过来思考广义相对论和宇宙学参数是否需要修改。”冯磊告诉记者,这可能会颠覆人们对宇宙演化的理解。