宇宙中的天體分布到底是均勻的還是不均勻的?科學家一直在尋找答案
- 科技日報
- 2020-09-01 11:49:02
宇宙沒有想象的那么“疙疙瘩瘩”
在利用位于智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(VLT)對超過3000萬個星系觀測7年后,科學家發(fā)現(xiàn)宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。
宇宙中的天體分布到底是均勻的還是不均勻的?科學家一直在尋找答案。
過去,在愛因斯坦廣義相對論的理論框架下,根據(jù)宇宙學標準模型預測,科學家認為宇宙早期經(jīng)歷了一個被稱為“暴脹”的急速膨脹階段,這一階段的量子漲落造成了宇宙的密度漲落。隨著宇宙的演化,漲落越來越大,宇宙也就慢慢地變得不那么均勻了。
近日,據(jù)國外媒體報道,經(jīng)過為期7年的千度調(diào)查(KiDS),科學家利用位于智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(VLT),觀測了距離地球100億光年的宇宙中超過3000萬個星系。結(jié)果顯示,宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。
宇宙均勻性是什么?科學家又是怎樣計算出整個宇宙的均勻性?此次觀測結(jié)果比模型預測高出10%意味著什么?
技術(shù)進步使均勻性驗證成可能
目前,用來描述宇宙大爆炸和宇宙進化的標準模型為弗里德曼模型,其理論基礎是愛因斯坦于1915年發(fā)表的廣義相對論。
廣義相對論實質(zhì)上是關(guān)于引力的理論。1922年,俄國物理學家亞歷山大·弗里德曼將廣義相對論應用于整個宇宙,建立了第一個宇宙模型。
也就是說,愛因斯坦的廣義相對論和弗里德曼最初提出的宇宙模型,演化成為一個共同的假設:宇宙是均勻和各向同性的。這就意味著,宇宙的均勻性在任何位置、任何方向上都應該是一樣的。這一假設是現(xiàn)代宇宙學的基礎,即宇宙學原理。這一原理是否正確最終需要觀測驗證,綜合星系計數(shù)、射電源計數(shù)和微波背景輻射等各種觀測結(jié)果,這一原理的正確性是有保證的。
然而,當我們將目光投向宇宙時,看到的卻是另一幅景象:億萬顆恒星組成了星系,星系組成星系團,星系團又組成超星系團……甚至還有一個個星系組成的盤根錯節(jié)的星系“鏈”。這樣看來,宇宙到底是均勻的還不均勻的呢?
“如果把宇宙分成一個個大塊,每個大塊的密度是相對均勻的。但是每個大塊內(nèi)的物質(zhì)又有不同的結(jié)構(gòu),有的區(qū)域物質(zhì)密度非常大,我們稱之為核;有的區(qū)域密度非常小,我們稱之為空洞。核與核之間還通過絲狀物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)相連接。”中國科學院紫金山天文臺副研究員馮磊告訴科技日報記者,“宇宙的物質(zhì)分布就像是平衡態(tài),各種天體結(jié)構(gòu)就像是平衡態(tài)的漲落。”
科學家認為,當初做出這一假設有兩個原因:一是從實用的角度考慮,因為用來描述宇宙的方程太復雜了,如果宇宙不是均勻的,求起解來非常困難,也就無法直觀地描述所觀測的各類天體;二是由于觀測手段的匱乏,當時的科技水平遠遠無法支撐人類對遙遠宇宙的探索,沒有人知道宇宙在大尺度結(jié)構(gòu)上是什么樣子的。這樣一來,把宇宙設想成最簡單的形式也就合情合理了。
此前人們沒有能力從觀測上對這一假設進行驗證。但隨著觀測技術(shù)的進步,我們能看到的宇宙區(qū)域越來越廣,終于可以對其進行驗證。
均勻與否和觀測尺度有關(guān)
也許未來的某一天,人類可以飛出太陽系,飛向距離太陽系最近的鄰居——半人馬座,來一趟說走就走的旅行。
但是,作為一名太空旅客,你可能會感到異常乏味,覺得這次旅游是一個很糟糕的決定,盡管兩地相距僅有4.2光年,旅途中大部分時間都見不到一點物質(zhì)的影子。
從科學上理解,這表示在相對較小的尺度范圍內(nèi)宇宙并非均勻分布。
那么,在大尺度范圍內(nèi)宇宙是否就一定是均勻的呢?許多科學家都認為,宇宙就像是海洋,從近處看波浪迭起,但從高空看,卻光滑如鏡。
但是在20世紀80年代,人們通過大范圍的星系紅移巡天觀測發(fā)現(xiàn):宇宙的均勻性與尺度有直接關(guān)系,即使從上億光年的尺度上看,宇宙空間里星系都并非均勻分布,而是呈現(xiàn)出許多空洞和纖維狀的結(jié)構(gòu),只有在幾十億光年的尺度上星系分布才變得均勻。
“在星系與星系之間,宇宙中的可見物質(zhì)遠遠不足以把星系連成一片,構(gòu)成星系團,如果不是存在一種神秘而不可見的物質(zhì),星系團早就分崩離析了。”馮磊告訴科技日報記者,科學家把這種看不見的神秘物質(zhì)稱為暗物質(zhì)。宇宙由天體、暗物質(zhì)、暗能量組成,其中暗物質(zhì)和暗能量占宇宙的95%,許多看起來空無一物的宇宙空間中卻是“暗”流涌動。我們通常把普通物質(zhì)、冷暗物質(zhì)和宇宙學常數(shù)組成的加速膨脹宇宙學模型稱為標準宇宙模型。
總之,盡管從某一角度來說,宇宙是不均勻的,但是在大尺度上,宇宙的物質(zhì)分布是均勻的,標準宇宙模型還可以繼續(xù)用下去。
或?qū)⒏膶懡?jīng)典宇宙學理論
宇宙的均勻性其實并非一成不變。
宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測表明,宇宙在38萬歲的時候,有的地方溫度高,有的地方溫度低,這種溫度的漲落與平均溫度的比值大約是1/100000。“我們也可以把溫度的漲落看成光子密度的漲落,可以作為宇宙均勻性的輸入初始值。”馮磊說道。
但是,隨著宇宙的“成長”,密度的漲落會慢慢地變大。密度較大的物質(zhì)會通過引力“襲擊”周圍區(qū)域,把其他物質(zhì)吸引過來,就像滾雪球一樣越來越大。
這就帶來一個問題,宇宙的均勻性會慢慢偏離初始值,變得越來越不均勻。這一過程是精確可算的,根據(jù)測量結(jié)果,還可以檢驗標準宇宙模型的準確性。
此次千度調(diào)查項目(KiDS)的觀測結(jié)果顯示,宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。也就意味著,標準宇宙模型預測的結(jié)果“略顯夸張”。
據(jù)悉,這項觀測采用的是弱引力透鏡方法。這種方法通過測量光經(jīng)過天體時傳播路徑的彎曲來推算宇宙的物質(zhì)分布。這與另一項名為重子振蕩光譜調(diào)查(BOSS)的單獨研究對星系群的觀察相結(jié)合,提供了對暗物質(zhì)分布的精確測量。
如果這些發(fā)現(xiàn)是正確的,它們可能會有一些廣泛的影響。這可能意味著,大尺度上的引力與人們想象的不同,正如愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣,物質(zhì)落入宇宙密集區(qū)域的速度比預期的要慢。又或者,人們對暗能量的理解還遠遠不夠,因為暗能量被認為是造成宇宙加速膨脹的“幕后推手”。
但是,這一觀測結(jié)果目前仍存爭議。馮磊認為,雖然這個項目持續(xù)7年觀測了3000萬個星系,約占宇宙的5%,但也有一種可能是這5%的空間恰恰是比較均勻的,所以還需要其他天區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比,才能更好地確定宇宙的均勻性。
由于這一觀測結(jié)果來得極其突然,全球的天文學家在震驚之余還沒有開展相應的研究。“如果這一結(jié)果被證明是對的,那么我們就要反過來思考廣義相對論和宇宙學參數(shù)是否需要修改。”馮磊告訴記者,這可能會顛覆人們對宇宙演化的理解。
本報記者 張 曄
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