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宇宙有多重?

来源:环球科学

  哈勃太空望远镜拍摄的PLCK G308.3-20.2星团。对这些星团的研究可以帮助我们了解宇宙的基本信息,例如宇宙中物质的密度。

图片来源:欧洲空间局(ESA)/哈勃望远镜(Hubble),美国国家航天局(NASA)和再电离透镜群调查(RELICS)

宇宙学的标准模型是目前我们对宇宙所能做的最好描述。但是最新的研究发现,通过两种不同的方法来测量宇宙,得到的结果却不尽相同。如果通过更精确的测量还不能消除这个差异的话,物理学家可能就得修改宇宙学的标准模型了。

德国波鸿鲁尔大学(Ruhr University Bochum)的天文学家Hendrik Hildebrandt说:“如果这真的预示了标准模型的崩溃,那将可能是物理学的重大变革。”

从前几年,对哈勃常数(Hubble constant)的两次独立计算测量结果不一致开始,人们就已经对标准模型的正确性产生类似担忧。哈勃常数指的是宇宙的膨胀速度,哈勃常数的测量差异则称为哈勃冲突(Hubble tension)。

对宇宙的测量结果以一个名为“sigma-8”的参数来描述,而上述测量宇宙结果之间的差异则被称为“sigma-8冲突(sigma-eight tension)”,它与测量宇宙中物质的密度和聚集的程度有关。为了计算sigma-8,Hildebrandt和他的同事们运用了一种名为“弱引力透镜”的效应进行测量。在这种效应中,来自遥远星系的光会因为星系和地球之间物质的引力而稍稍向我们的望远镜方向弯曲。

由弱引力透镜效应产生的变形非常小,几乎不会改变单个星系的形状。但如果把天空中成千上万个星系的形状平均起来,就会显示出微弱的透镜效应。假设星系相对于地球的方向是随机的,那在没有弱引力透镜效应的情况下,它们的平均形状应该是接近圆形的。但由于这种效应的轻微扭曲,星系的平均形状则偏向椭圆形。

在观测天空中星系丰富的区域时,天文学家可以利用弱引力透镜效应的这一效果,来估计地球与观测对象之间物质(包括暗物质)的数量和分布。也就是说,他们设法测量了宇宙的物质密度。

但要做到精确测量还需要知道每个被研究的星系之间的距离。通常情况下,天文学家通过测量一个星系的光谱红移来计算它与另一个星系的距离。红移是指星系的光向光谱中波长较长的红色光方向偏移的量,红移越大,表明物体越远。

然而,在处理数以百万计的星系时,测量单个光谱红移是极其低效的。因此,Hildebrandt的团队采用了一种名为“测光红移”的方法,即以不同波长拍摄同一片天空的多幅图像,波长跨度从光学波段到近红外波段。研究人员利用这些图像来估计每个星系的红移。Hildebrandt说:“它们的测量效果不像传统的光谱红移那么好,但它们的效率要高得多”。

在整个分析过程中,研究小组使用了数百平方度天空的高分辨率图像(满月的直径大约是半度),运用到了9个波长波段,其中包括4个可见光波段和5个近红外波段。这些观测涉及到约1500万个星系,由欧洲南方天文台(European Southern Observatory)的“千度巡天”计划(Kilo-Degree Survey, KiDS)和)“VISTA千度红外星系巡天”计划(VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey, VIKING)采集,利用的是欧南台位于智利的帕拉纳尔天文台(Paranal Observatory)的两台小型望远镜。

VIKING使用近红外波段对同一天空区域进行多次观察,所得的数据支持了KiDS的数据集。因为一个星系离我们的距离越远,它远离我们的速度就越快,所以更多星系发出的光被红移到近红外波段,因而仅仅依靠光学观测是不够的。红外测量则可以捕捉到更多来自这些星系的光,从而更好地估计它们的测光红移。

为了确保测光红移尽可能准确,天文学家对少数相同星系进行光谱红移测量,并根据测量结果对测光红移测量的结果进行了校准。那些光谱红移是由位于帕拉纳尔山的8米口径甚大望远镜(Very Large Telescope)和位于夏威夷莫纳克亚山的10米口径凯克望远镜(Keck telescopes)测量得到的。

约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天体物理学家、诺贝尔奖得主Adam Riess对KiDS研究人员的努力表示赞赏。他说:“他们最新的研究结果使用了红外数据,比起一味追求镜头的质量和获得可靠的测光红移,这可能对于实验更有效。”

利用覆盖了大约350平方度天空的综合数据,天文学家估算出参数sigma-8的值。但他们所得的值与欧洲航天局(European Space Agency)测量得到的值却不一致。欧洲航天局的sigma-8值是通过他们的普朗克卫星(Planck satellite)对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)的观测而测量出的。宇宙微波背景辐射是宇宙中最早的可观测光,大约在宇宙大爆炸后38万年时发出。普朗克卫星全方位地绘制了宇宙微波背景辐射的温度和偏振的变化,宇宙学家则可以利用这张绘制出的图来计算出早期宇宙的sigma-8值。宇宙学标准模型认为宇宙由5%的普通物质,27%的暗物质和68%的暗能量组成,利用标准模型,他们可以推断出130亿年来宇宙的演化过程,从而估算出现在sigma-8的值。

这就是让人紧张的地方了。Hildebrandt的弱透镜研究计算sigma-8约为0.74,而普朗克卫星的数据计算值却约为0.81。Hildebrandt说:“大约有百分之一的可能性,这种‘冲突’是一种统计起伏”。统计起伏是数据中的随机噪声,它可以模拟实际信号,也会随着数据的增加而消失。他说:“这还不是完全得担心到失眠的事情。”

现在的确也还没有定论。这种差异也可能是由于某一方或者双方在计算中出现的系统性错误。在研究人员发现这些错误之后,可能就能消除这种差异。

或者结果也可能不是这样,正如所谓的“哈勃冲突”。随着天文测量变得越来越精确,哈勃冲突的统计显著性只会越来越大,这让不少焦虑的理论家彻夜难眠。Hildebrandt说:“sigma-8的差异可能会发生和哈勃冲突相类似的事情,我们也不清楚”。

Riess也带领团队利用邻近宇宙中超新星的测量值来估算哈勃常数。他把sigma-8冲突比作“哈勃冲突的弟弟或妹妹”。现在普遍认为哈勃冲突是具有统计显著性的,只有小于350万分之一的几率是意外所致。sigma-8冲突有百分之一的概率是统计失常,就像几年前哈勃冲突一样。Riess说:“所以它没那么重要,但还是值得关注,以寻找可能的联系”。

但如果sigma-8冲突上升到与哈勃冲突相同的统计相关性水平,那么重新评估宇宙学标准模型就变得刻不容缓了。到那时,宇宙学家可能就得寻求新的物理学模型,使普朗克卫星对sigma-8的预测值与当今宇宙参数的直接测量值保持一致。Hildebrandt说:“这将是一个令人兴奋的走向”。

那个用于修正标准模型的潜在的新物理学模型,可能也会影响到暗能量和暗物质的数量、性质、相互作用方式,以及其他更奇异的修正。Riess说:“一样是为了修正哈勃常数冲突,有些对宇宙模型的理论修正方案使得sigma-8冲突差异更大,有些则消减了差异”。

Hildebrandt也认为目前还没有明显的解决方案。他说:“如果有一个令人信服的模型,或许人们都会跟随它。但现在我认为还没有。我们这些观察者真的有责任提升sigma-8冲突的统计显著性,或者消除这种差异”。

作者

Anil Ananthaswamy

著有《物理学的边缘》(The Edge of Physics),《那个不在场的人》(The Man Who Wasn’t there),以及最近出版的《同时通过两扇门:捕捉我们量子现实之谜的优雅实验》(Through Two Doors at Once: The Elegant Experiment That Captures the Enigma of Our Quantum Reality)

翻译:余远葭

审校:黄静

引进来源:科学美国人

引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/

本文来自:环球科学
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