使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 前沿 > 天文 • 物理

我们生活在不对称的宇宙中?

时间: 2020年04月21日 | 作者: 吴非 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
借助两台强大的X射线望远镜,以及一个经验性的关系式,科学家们得出了颇具争议的结论——宇宙在不同方向上的膨胀可能是不均匀的。


image.png

星系团中高温气体产生的X射线(紫色) 图片来源:ESA and XMM-Newton (X射线);CFHTLS (可见光)


宇宙大尺度上的各向同性,即在各个方向上物质分布均匀、膨胀速率一致,是现代宇宙学的重要基石。不过最近,这一假说遭受了一批天文学家的挑战。借助两台强大的X射线望远镜,以及一个经验性的关系式,他们得出了颇具争议的结论——宇宙在不同方向上的膨胀可能是不均匀的。不过,在另一些天文学家看来,这个令人兴奋的结论,却存在大量值得注意的疑点与漏洞。


撰文 | 吴非


挑战宇宙各向同性


当我们用天文望远镜锁定宇宙的一片区域,会观察到什么景象?可能是一颗正在吞噬周围物质的黑洞;可能是伸出旋臂,缓慢旋转的旋涡星系;也可能是看似空无一物的星际空间。这些纷繁复杂的元素,共同构成了这个经历了138亿年演化的宇宙。但是,当我们的视野变得更加开阔,直至以数十亿光年的尺度看待这个宇宙时,这时的宇宙单元依旧是如此丰富而变化多端吗?


不。恰恰相反,无论我们将目光锁定在宇宙的任何方向,宇宙都是一致、没有任何变化的。这就是现代宇宙学的重要基础——宇宙尺度上的各向同性。


宇宙的各向同性源自一个很自然的想法:在宇宙大爆炸之后的暴胀阶段,宇宙空间向各个方向快速膨胀。在这个过程中,宇宙的不均一性被消除。而随后的持续膨胀过程,在各个方向上也不应该存在任何特殊之处。


宇宙各向同性的设想,也得到了大量天文观测数据的支持。尤其是当Arno Penzias和Robert Wilson捕捉到宇宙微波背景辐射(CMB)——宇宙大爆炸38万年时遗留下的辐射印迹时,尽管在局部存在一些涨落,但它在宇宙尺度上均匀的分布,为宇宙各向同性的假说提供了重量证据。


不过最近,这一现代宇宙学的根基遭到了挑战。提出质疑的是德国波恩大学与哈佛-史密森尼天体物理中心的一支联合研究团队,他们借助两台X射线天文望远镜——美国航空航天局(NASA)的钱德拉X射线望远镜,以及欧洲空天局(ESA)XMM牛顿望远镜的X射线观测数据,提出了不同的观点。


线性关系


这项研究关注的焦点,是星系团中的X射线。之前有研究发现,星系团的X射线光度,与弥漫在星系团中的高温气体的温度,存在有趣的线性关系。基于这样的经验关系,天文学家得以通过这样的思路推断X射线源的距离——利用两台X射线望远镜,可以测出星系团中高温气体的X射线辐射,即气体的温度;而气体温度与X射线光度存在线性关系,因此温度可以转化为X射线光度,即X射线源的距离。注意,这里的距离是独立于宇宙膨胀速率的。


此后,研究人员可以通过另一种手段测定这些星系团的距离——只不过,这种测量手段是与宇宙膨胀速率相关的。因此,当这两种手段推断出的星系团距离信息相结合,就能告知我们星系团所处区域的膨胀速率。如果我们拥有来自宇宙不同区域、数量足够多的膨胀速率信息,就有机会验证宇宙各向同性的猜想,或者,找到宇宙各向异性的蛛丝马迹。


研究团队利用当今两台最著名的X射线望远镜,获得了共313个星系团的数据。其中包括钱德拉X射线天文台在191天的曝光时间中,观测到的237个星系团;以及XMM牛顿望远镜在35天内观测到的76个。随后,为了进一步验证其结果,研究团队还结合了此前XMM牛顿望远镜和ASCA宇宙学和天体物理学高新卫星的大量数据。这样,共有近850个星系团的距离信息被用于这项分析。


在这些星系团数据的帮助下,研究人员果然有了令人欣喜的发现:正如下图所示,在两片区域,哈勃常数明显偏离了平均值。其中,黄色区域的宇宙膨胀速率超出了预期;紫色区域的膨胀则比平均数值更慢。一言以蔽之,宇宙的各向同性被打破了。


image.png


暗能量分布不均?


如果作者的结论成立,这将是对现代宇宙学的一次强有力的冲击。宇宙在大尺度上的各向异性,意味着我们对于宇宙基本结构的认知,还存在不完善的地方。那么,导致宇宙各向异性的因素可能是什么?


前面已经说到,宇宙微波背景辐射在大尺度上有着几乎完美的均一性。物质在宇宙中的分布仍是均匀的,那么问题,可能来自占据宇宙总质量近70%的暗能量:暗能量,驱动宇宙加速膨胀的力量,自身可能不是均匀分布的。


也就是说,在暴胀产生早期宇宙之后,随后的数十亿年间,暗能量在整个宇宙中的分布并不是我们此前想象的那样均匀——它在一些方向上更加密集,而另一些区域则较为稀薄。这样的差异,造就了宇宙的“倾斜”。


这样的假设并无不妥,因为暗能量本身就是天文学家为了解释宇宙加速膨胀而提出的概念。对于暗能量的构成、分布等信息,我们至今认识有限。如果我们此前对宇宙膨胀空间分布的认识存在偏差,那么暗能量的分布方式自然可以随之改变。


巨大争议


看上去,我们正在见证一项令人激动的突破。这样的可能性当然存在,但问题在于,这项研究的结论或许并不牢靠,甚至有着多项潜在的误差来源。


首当其冲的,是研究方法本身。前文提到,这项研究使用的X射线光度与气体温度的线性关系,是基于经验总结的。在论文图表中,我们能够看到,通过两台望远镜得到的关系斜率有所差异——这是一个非常危险的信号,因为两者的关系不应该随观测工具的不同出现波动。还有科学家发现,相较于其他研究手段,通过星系团得出的结论往往存在不一致性,这为星系团研究的可靠性画上问号。


image.png


约翰·霍普金斯大学的天文学家Adam Riess提出了另一种造成误差的可能性。银河系中存在大量气体和尘埃盘,在X射线到达望远镜的过程中,这些气体、尘埃盘可能成为障碍物,妨碍观测者的判断。Riess认为,这个理论并不是凭空猜测:各向异性最明显的区域,恰好与银河系中X射线吸收气体和尘埃最稠密的区域重合。


研究的数据本身,也存在疑点。论文指出,这项结论的置信度≥4-sigma。在物理学中,5-sigma是代表着足够显著性的“金标准”。而4-sigma的结果虽然不算糟糕,但距离“金标准”仍有差距。


最后,如果这项研究的数值真实存在,而不是来自上述误差,那么宇宙各向异性是唯一的解释吗?


不是。天文学家还提出了另一种可能的解释,那就是“整体流”(bulk flow)。理论上,星系团等物质在暗能量的推动下,按照哈勃常数膨胀。然而,在实际观测中,一些星系团移动的速率并不完全等同于哈勃常数,这是因为在暗能量之外,它们还受到了普通物质的作用,而作用力的来源,就是邻近的大型星系团。例如,银河系的本动速率,即相较于哈勃常数的运动运动速率,达到达到631km/s。


同样,在这项研究中,不同星系团展现出的膨胀速率差异,也可能归结于星系团的“整体流”。唯一的问题是空间尺度——此前有研究证实,在不超过10亿光年的范围内,观测到类似的效应。但要解释这项研究中的数据,需要在50亿光年的尺度上支配星系团的运动。


因此,至少目前看来,宇宙各向异性的理论还缺乏足够坚实的证据。在此后一段时间内,相关争论仍将持续下去。论文作者希望,功能更加强大的下一代X射线望远镜,例如俄罗斯与德国联合研制的eROSITA、ESA的“雅典娜”号X射线空间望远镜,将提供更加丰富、范围更广的星系团距离信息。


原始论文:

Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX-T scaling relation

参考材料:

Do We Live in a Lopsided Universe?

New Study Challenges The Universe's Expansion, But Remains Unconvincing

The universe's expansion rate may vary from place to place