宇宙有多重？宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可能崩潰需要重寫

北京時(shí)間5月26日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，近年來(lái)的研究預(yù)示著，宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型可能需要重寫。兩種截然不同的宇宙“稱量”方法產(chǎn)生了迥異的結(jié)果，而如果更精確的測(cè)量不能解決這一差異，物理學(xué)家可能不得不修改宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型——我們目前描述宇宙的最合理模型。

德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)的天文學(xué)家亨德里克·希爾德布蘭特（Hendrik Hildebrandt）說(shuō)：“如果這真的預(yù)示了標(biāo)準(zhǔn)模型的崩潰，那將很可能是革命性的?！?/p>

▲ 在觀測(cè)某一片天空中多個(gè)星系豐富的區(qū)域時(shí)，天文學(xué)家可以利用弱引力透鏡效應(yīng)信號(hào)來(lái)估計(jì)中間物質(zhì)（包括常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)）的數(shù)量和分布

過(guò)去幾年，對(duì)所謂的哈勃常數(shù)（即如今宇宙膨脹的速度）的兩次獨(dú)立計(jì)算，也引發(fā)了人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型正確性的類似擔(dān)憂。這兩次測(cè)量結(jié)果并不一致，二者的差異也被稱為“哈勃沖突”（Hubble tension）。

新的宇宙稱量結(jié)果之間的差異被稱為“sigma- 8沖突”（sigma-eight tension），涉及測(cè)量宇宙中物質(zhì)的密度和聚集的程度。該結(jié)果以一個(gè)名為sigma- 8的參數(shù)來(lái)描述。為了計(jì)算sigma- 8，希爾德布蘭特和同事們采用了“弱引力透鏡效應(yīng)”進(jìn)行測(cè)量。在這種效應(yīng)中，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光線由于星系和地球之間物質(zhì)的引力作用而稍稍向地球的望遠(yuǎn)鏡彎曲。

由此產(chǎn)生的變形非常微小，幾乎不會(huì)改變單個(gè)星系的形狀。但是，如果你將某片天空中成千上萬(wàn)個(gè)星系的形狀平均起來(lái)，就會(huì)出現(xiàn)微弱的透鏡效應(yīng)。假設(shè)星系相對(duì)于地球的方向是隨機(jī)的，那它們的平均形狀應(yīng)該接近圓形。換言之，如果沒(méi)有弱透鏡效應(yīng)，星系的平均形狀將是圓形的；但由于這種效應(yīng)的輕微扭曲，星系的平均形狀轉(zhuǎn)而向橢圓傾斜。

在觀測(cè)某一片天空中多個(gè)星系豐富的區(qū)域時(shí)，天文學(xué)家可以利用弱引力透鏡效應(yīng)信號(hào)來(lái)估計(jì)中間物質(zhì)（包括常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)）的數(shù)量和分布。換句話說(shuō)，他們?cè)O(shè)法對(duì)宇宙的物質(zhì)密度進(jìn)行了測(cè)量。

不過(guò)，精確的測(cè)量還需要更多的信息，首先就是每個(gè)被研究的星系之間的距離。通常情況下，天文學(xué)家通過(guò)測(cè)量一個(gè)星系的光譜紅移來(lái)計(jì)算它與另一個(gè)星系的距離。紅移是指星系的光向光譜中較長(zhǎng)的紅色波長(zhǎng)偏移的量；紅移越大，物體離觀測(cè)者就越遠(yuǎn)。

然而，在處理數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的星系時(shí)，測(cè)量單個(gè)光譜的紅移是極其低效的。因此，希爾德布蘭特的團(tuán)隊(duì)采用了一種名為“光度紅移”的方法，即以不同波長(zhǎng)（從光學(xué)波段到近紅外波段）拍攝同一片天空的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來(lái)估計(jì)每個(gè)星系的紅移?！八鼈兊男Ч幌駛鹘y(tǒng)的光譜紅移那么好，”希爾德布蘭特說(shuō)?！暗屯h(yuǎn)鏡的時(shí)間而言，它們的效率要高得多。”

在整個(gè)分析過(guò)程中，研究小組使用了9個(gè)波段（4個(gè)可見光波段和5個(gè)近紅外波段）的數(shù)百平方度天空（滿月直徑約為半度）的高分辨率圖像。這些圖像涉及大約1500萬(wàn)個(gè)星系，由歐洲南方天文臺(tái)的“千度巡天”（Kilo-Degree Survey，簡(jiǎn)稱KiDS）和“VISTA千度紅外星系巡天”（VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey，簡(jiǎn)稱VIKING）采集，利用的是歐南臺(tái)位于智利帕瑞納天文臺(tái)的兩臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡。

VIKING的數(shù)據(jù)支持了KiDS的數(shù)據(jù)集，提供了近紅外波段對(duì)同一天空區(qū)域的多次觀測(cè)結(jié)果。一個(gè)星系的距離越遠(yuǎn)，它遠(yuǎn)離我們的速度就越快。這導(dǎo)致更多的星系光線被紅移到近紅外范圍，因此僅僅依靠光學(xué)觀測(cè)是不夠的。紅外觀測(cè)可以捕捉到更多來(lái)自這些星系的光，從而更好地估計(jì)它們的光度紅移。

為了確保光度紅移盡可能準(zhǔn)確，天文學(xué)家根據(jù)少數(shù)相同星系的光譜紅移測(cè)量結(jié)果對(duì)這些觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了校準(zhǔn)。這些光譜紅移測(cè)量是由帕納瑞天文臺(tái)的8米甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和夏威夷莫納克亞山的10米凱克望遠(yuǎn)鏡完成的。

美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的天體物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）對(duì)KiDS研究人員的努力表示贊賞。他說(shuō)：“他們最新的結(jié)果使用了紅外數(shù)據(jù)，在追蹤透鏡效應(yīng)規(guī)模，以及獲得可靠的光度紅移方面，這可能效果更好。”

利用覆蓋了大約350平方度天空的綜合數(shù)據(jù)，天文學(xué)家估計(jì)了參數(shù)sigma- 8的大小。他們發(fā)現(xiàn)的數(shù)值與歐洲空間局普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射（CMB）的觀測(cè)值相沖突。CMB被認(rèn)為是宇宙中最早的可觀測(cè)光，在大爆炸后約38萬(wàn)年時(shí)發(fā)出。普朗克衛(wèi)星繪制了宇宙微波背景輻射在天空中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的溫度和偏振的變化。利用這張圖，宇宙學(xué)家就可以計(jì)算早期宇宙的sigma- 8值。再利用宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（宇宙由5%的普通物質(zhì)，27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量組成），他們就可以推算出超過(guò)130億年的宇宙演化過(guò)程，從而估算出今天的sigma- 8值。

沖突便由此而來(lái)。希爾德布蘭特的弱透鏡效應(yīng)研究估計(jì)sigma- 8約為0.74，而普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)顯示這個(gè)值約為0.81。希爾德布蘭特說(shuō)：“大約有百分之一的可能性是，這種（沖突）是一種統(tǒng)計(jì)漲落?！苯y(tǒng)計(jì)漲落相當(dāng)于數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲，可能與實(shí)際信號(hào)相似，也可能隨著數(shù)據(jù)的增加而消失，“這還不是需要擔(dān)心到完全失眠的事情?！?/p>

確實(shí)還沒(méi)有到這種程度。在一個(gè)或兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的計(jì)算中也可能存在系統(tǒng)性的誤差。在研究人員發(fā)現(xiàn)任何此類誤差之后，這種沖突可能就消失了。

結(jié)果也可能不會(huì)如此，正如所謂的“哈勃沖突”。隨著天文測(cè)量變得越來(lái)越精確，哈勃沖突的統(tǒng)計(jì)顯著性只會(huì)越來(lái)越大，讓不少焦慮的理論物理學(xué)家徹夜難眠?！皊igma- 8沖突可能也會(huì)發(fā)生非常類似的情況，”希爾德布蘭特說(shuō)，“一切都是未知數(shù)。”

亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用對(duì)鄰近宇宙中超新星的測(cè)量值來(lái)估計(jì)哈勃常數(shù)，他把sigma- 8沖突比作“哈勃沖突的弟弟或妹妹”。現(xiàn)在認(rèn)為，這種沖突具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，純屬意外的概率不超過(guò)350萬(wàn)分之一。sigma- 8沖突是統(tǒng)計(jì)偏差的概率只有百分之一，幾年前的哈勃沖突也是如此?！八运鋵?shí)還沒(méi)有那么顯著，但值得關(guān)注，尋找可能的聯(lián)系，”里斯說(shuō)道。

如果sigma- 8沖突上升到與哈勃沖突相同的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性水平，那么重新評(píng)估宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的壓力可能就會(huì)大到不容忽視。在這一點(diǎn)上，宇宙學(xué)家可能不得不求助于新的物理學(xué)，使普朗克衛(wèi)星的估計(jì)值與如今對(duì)宇宙參數(shù)的直接測(cè)量保持一致?！斑@將是一個(gè)令人興奮的選擇，”希爾德布蘭特說(shuō)道。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的潛在“新物理學(xué)”修正可能包括改變暗能量或（和）暗物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，以及調(diào)整它們之間，以及與常規(guī)物質(zhì)之間的相互作用方式，甚至包括其他更奇異的修正。里斯說(shuō)：“一些改進(jìn)宇宙模型以解決哈勃常數(shù)沖突的理論使這一切（sigma- 8沖突）變得更糟。有些理論則做得更好?！?/p>

希爾德布蘭特也認(rèn)為目前還沒(méi)有明顯的解決方案?！叭绻幸粋€(gè)令人信服的模型，或許人們會(huì)跟風(fēng)，”他說(shuō)，“但是現(xiàn)在，我不認(rèn)為有這樣的模型。作為觀測(cè)者，我們真的有責(zé)任提高（sigma- 8沖突）的顯著性，或者證偽它?！?/p>

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