兩種完全不同的「衡量」宇宙的方法產生了截然不同的結果。如果更精確的測量不能解決這個差異，物理學家可能不得不修改宇宙學的標準模型，這是我們對宇宙最好的描述。
德國波鴻魯爾大學的天文學家亨德裡克·希爾德布蘭特（Hendrik Hildebrandt）說:「如果這真的是標準模型崩潰的一瞥，那將是潛在的革命性的。」
過去幾年，對所謂的哈勃常數(即宇宙膨脹的速度)的兩次獨立計算，也引發了人們對標準模型正確性的類似擔憂。這兩個測量結果也不一致，產生了所謂的哈勃張力。
這種新的差異被稱為sigma- 8張力，它涉及測量宇宙中物質的密度和聚集的程度，而不是均勻分布。結果被封裝在一個名為sigma- 8的參數中。為了計算sigma- 8，希爾德布蘭特和他的同事們轉向了一種弱引力透鏡效應，在這種效應中，來自遙遠星系的光線由於星系和地球之間的物質的引力而發生稍稍彎曲。
由此產生的變形非常小，幾乎不會改變單個星系的形狀。但是如果你把天空中成千上萬個星系的形狀平均起來，就會出現微弱的透鏡效應。假設星系相對於地球的方向是隨機的，它們的平均形狀應該接近圓形——也就是說，沒有弱透鏡效應。但由於這種效應的輕微扭曲，平均形狀轉而向橢圓傾斜。
天文學家們利用這一信號來估計中間物質(包括正常物質和暗物質)的數量和分布，這些物質沿著不同的視線分布到天空中不同的星系。換句話說，他們設法測量了物質的宇宙密度。
但要做到這一點，還需要更多的信息：每個被研究的星系之間的距離。通常情況下，天文學家通過發現另一個星系的光譜紅移來計算它與另一個星系的距離，紅移是指星系的光向光譜中較長的紅色波長偏移的量。紅移越大，物體越遠。
然而，在處理數百萬個星系時，測量單個光譜的紅移是極其低效的。因此，希爾德布蘭特的團隊採用了一種名為「光度紅移」的方法，即以不同波長、跨越光學和近紅外波段拍攝同一塊天空的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來估計每個星系的紅移。「它們不像傳統的光譜紅移那麼好。」希爾德布蘭特說，「但就望遠鏡的時間而言，它們的效率要高得多。」
在整個分析過程中，研究小組使用了9個波長波段(4個可見光波段和5個近紅外波段)的數百平方度天空(滿月直徑約半度)的高解析度圖像。這些對大約1500萬個星系的觀測是由歐洲南方天文臺的千度測量(KiDS)和VISTA千度紅外星系測量(VIKING)通過該組織位於智利的帕拉納天文臺的兩個小型望遠鏡收集的。
VIKING的數據支持了KiDS的數據集，提供了近紅外波段對同一天空區域的多次觀察。一個星系的距離越遠，它遠離我們的速度就越快。這導致更多的星系光線被紅移到近紅外範圍，因此僅僅依靠光學觀測是不夠的。紅外測量可以捕捉到更多來自這些星系的光，從而更好地估計它們的光度紅移。
為了確保光度紅移是儘可能準確的，這些觀測結果是根據光譜紅移測量進行校準的，這些紅移測量是由帕拉納爾的8米超大望遠鏡和夏威夷莫納克亞山的10米凱克望遠鏡進行的。
約翰霍普金斯大學的天體物理學家、諾貝爾獎得主亞當·裡斯對KiDS研究人員的努力表示讚賞。他說:「他們最新的結果使用了紅外數據，這可能在追蹤鏡頭的質量和獲得可靠的光度紅移方面做得更好。」
利用覆蓋了大約350平方度天空的綜合數據，天文學家們估計了sigma- 8。他們發現的數值與歐洲航天局普朗克衛星對宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測值相衝突，CMB是宇宙中最早的可觀測光，在大爆炸後約38萬年發出。普朗克繪製了宇宙微波背景輻射在天空中點對點的溫度和偏振的變化。宇宙學家可以利用這張圖來計算早期宇宙的sigma- 8值。利用宇宙學的標準模型(宇宙由5%的普通物質，27%的暗物質和68%的暗能量組成)，他們可以推斷出130億年的宇宙演化過程，從而估算出今天的sigma- 8的價值。
這就是張力。希爾德布蘭特的弱透鏡研究估計sigma- 8約為0.74，而普朗克的數據約為0.81。希爾德布蘭特說:「大約有百分之一的可能性，這種[張力]是一種統計上的波動。」統計波動是數據中的隨機噪聲，可以模擬實際信號，也可以隨著數據的增加而消失。「這還不是需要擔心到完全失眠的事情。」
無論如何還沒有。在一個或兩個團隊的計算中也可能存在系統性的錯誤。在研究人員發現任何此類錯誤之後，這種差異可能就消失了。
或者它可能不會這樣做，這就是哈勃張力的例子。隨著天文測量變得越來越精確，哈勃望遠鏡的張力的統計意義只會越來越大，讓不少焦慮的理論家徹夜難眠。 「我們的sigma- 8差異可能會發生非常類似的事情。」 希爾德布蘭特說，「我們不知道。」
裡斯領導的一個團隊利用附近宇宙超新星的測量值來估計哈勃常數，他把sigma- 8的張力比作「哈勃張力的弟弟或妹妹」。這種差異現在被認為具有統計學意義，不超過350萬分之一的機率是僥倖。sigma- 8的張力，有百分之一的概率是統計失常，就像幾年前哈勃的張力一樣。「所以(它)不那麼重要，但值得關注，尋找可能的聯繫。」裡斯說。
如果sigma- 8張力上升到與哈勃張力相同的統計相關性水平，那麼重新評估宇宙學標準模型的壓力可能會大到不容忽視。在這一點上，宇宙學家可能不得不求助於新的物理學，使普朗克估計與當今宇宙參數的直接測量保持一致。「這將是一個令人興奮的選擇。」希爾德布蘭特說。
對標準模型的潛在「新物理」修正可能包括改變暗能量或暗物質(或兩者)的數量和性質，以及調整它們之間以及與正常物質之間的相互作用方式，以及其它更奇異的修正。「對宇宙模型進行修補以固定哈勃常數張力的一些理論解決方案使這種(sigma- 8張力)變得更糟。有些人做得更好。」裡斯說。
希爾德布蘭特也認為目前還沒有明顯的解決方案。 「如果有一個令人信服的模式，或許人們會跟風。」 他說，「但是現在，我不認為有。我們這些觀察人士真的有責任改善(sigma- 8張力)的重要性，或者反駁它。」
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
原文來源：
https://www.livescience.com/how-heavy-is-universe-debate.html
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