宇宙學家試圖從衛星圖像中的一個的異常現象中發現宇宙的起源

2020-12-05 老胡說科學

早期宇宙的普朗克衛星圖像中出現了一個無法解釋的特徵:在最大尺度上,灰色線右側的天空中的溫度波動比左側更加極端。如果我們的宇宙在其第一秒的快速增長過程中撞上了鄰近的宇宙,那麼碰撞就會留下痕跡。

馬修·班認為他在宇宙黎明最詳細的快照中看到了它。天文學家發布了這張衛星圖像,證實了之前的圖像所顯示的情況:年輕的宇宙有一半比另一半略粗。

克萊班是幾十名理論宇宙學家之一,他們試圖從一條新線索的模糊陰影中拼湊出一個宇宙起源的故事。

紐約大學物理學副教授馬修·克萊班和研究生馬喬裡·席洛討論了如果兩個泡沫宇宙相撞會發生什麼。

「當它們相互撞擊時,就會有一種衝擊波傳播到我們的宇宙中,」紐約大學物理學副教授克萊班說。這樣的衝擊波——如果這是圖片所顯示的——將成為支持多元宇宙假說的證據。多元宇宙假說是一個眾所周知但未經證實的觀點,即我們的宇宙是在更大的真空中冒出來的無限宇宙之一。

大多數宇宙學家很快就承認他們可能在跟蹤一條錯誤的線索。

「這是一場高風險的遊戲,」約翰霍普金斯大學物理學和天文學教授馬克卡米奧科夫斯基說。「我們真的很想更多地了解宇宙的起源,但大自然並沒有給我們留下太多的暗示。」

卡米奧科夫斯基說,這種不對稱「可能只是統計上的僥倖,也可能只是冰山一角。」

只有時間和聰明的測試才能告訴我們答案。

宇宙的不對稱性出現在宇宙微波背景中——宇宙在大爆炸38萬年後變得透明時發出的靜止的餘輝。在此之前,籠罩著宇宙的帶電粒子霧已經冷卻到足以凝結成中性原子,從而使光第一次在太空中暢通無阻地傳播。在過去的三年裡,歐洲航天局的普朗克衛星捕捉到了來自各個方向的5000萬像素的這種光的圖像,每個光子都記錄了130多億年前它起源的溫度。

宇宙學家認為,宇宙大爆炸時的量子漲落在一段稱為膨脹的指數增長時期被拉長,變成了熱點和冷點,成為星系和空洞的種子。宇宙微波背景表明,整個38萬年前的宇宙溫度幾乎是均勻的,與平均水平的偏差僅為萬分之一。它的微「熱」和「冷」點——未來星系和空洞的種子——被認為是源於量子漲落,或能量的隨機波動,這些波動在宇宙第一個瞬間的指數增長中被放大,被稱為膨脹。

宇宙學家想要追溯宇宙膨脹的起因。

缺乏一個理論物理是如何工作的非常熱,小尺度的宇宙存在於新生兒,目前只有一個簡單的「玩具模型」的事件:一個領域滲透的空間轉換到一個不穩定的狀態在大爆炸後約10-36秒,造成空間體積的膨脹10^78倍在膨脹約30秒後。根據這個模型,宇宙應該是均勻拉伸的,在宇宙微波背景下產生均勻隨機的冷熱斑點圖案。但這並不是數據所顯示的。

卡米奧科夫斯基解釋說:「一邊的熱點和冷點比另一邊更熱、更冷。」

威爾金森微波各向異性探測器在2007年首次發現了證據,證明宇宙微波背景的一半區域的溫度波動比另一半區域更為極端,但這可能是一個測量誤差。普朗克圖加強了不對稱性的理由,並在更精細的細節上解決了溫度波動,使物理學家能夠排除一些解釋,並提出其他解釋。

就像美國的地形差異一樣,宇宙中溫度波動的不對稱性在大尺度上是最明顯的。科羅拉多州的一平方英尺土地並不比印第安納州的一平方英尺崎嶇不平,但如果你把它縮小,科羅拉多州的山脈和山谷顯然更高更深。「你可以把天空的一部分想像成印第安納州,另一部分想像成科羅拉多州,」卡米奧科夫斯基團隊的博士後研究員鄭東輝說。「這種變化真的很奇怪。很難想像這是什麼原因造成的。」

一些宇宙學家將其歸因於統計上的僥倖。宇宙誕生時的量子漲落隨機產生觀測到的不對稱性的機率在0.1%到1%之間——大約相當於連續八次拋硬幣得到正面的概率。

加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾說:「如果我打賭,而且賠率是偶數,我打賭這只是一個僥倖。」「但關鍵是,賠率甚至不是錢。如果它能告訴我們一些關於早期宇宙的事情,那將是極其重要的。」

宇宙學家已經提出了幾個相互矛盾的理論來解釋大爆炸期間和之後的事件是如何將這種不對稱現象刻入宇宙的。

很少有人相信玩具模型的膨脹領域可以充分解釋,這可以完全解釋宇宙的起源。相反,這個領域可能是一個額外的,捲曲的空間維度之一,由一個假設的「一切理論」(稱為弦理論)假設,這可能涉及多個通貨膨脹領域。英國蘭卡斯特大學的宇宙學家約翰麥克唐納表明,兩場模型可能導致宇宙微波背景中的不對稱,只要第二個被稱為彎曲的場,在膨脹結束後和暗物質形成後「腐爛」。

另外,正如將發表在《物理評論D》雜誌上的一篇文章所描述的那樣,卡米奧科夫斯基和同事計算出,這種不對稱可能是由於宇宙中某些宇宙學參數的變化造成的。最有希望的模型是,一個參數從宇宙的一邊到另一邊有6%的漂移。該參數可以固定在時空結構中不同缺陷處的不同值上,根據一些理論,這可能是通貨膨脹的催化劑。

2013年3月,普朗克衛星拍攝了一張宇宙中最古老的光的5000萬像素圖像,稱為宇宙微波背景。或者,正如Kleban和他的合作者發表在《物理評論D》上的一篇論文以及即將發表的一篇包含普朗克數據的論文中所指出的那樣,這種不對稱可能是兩個宇宙或宇宙中兩個點猛烈碰撞的結果。在多元宇宙的情況下,氣泡會頻繁地靠近並碰撞。氣泡也可能在繞著一個捲起來的空間維度膨脹時撞到自己(想像一個圓圈在圓柱體表面生長)。這次碰撞可能引發通貨膨脹。

Kleban說,如果能看到這種碰撞產生的衝擊波穿透宇宙微波背景,這對多元宇宙來說將是一個確鑿的證據。但激波的前緣更有可能已經超出了這片可觀測到的宇宙區域的地平線,就像一艘船在夜間駛過,在它的尾流中拖著更溫和的湍流。普朗克圖可能描繪了這樣一條軌跡的伸展殘跡。

這些殘留物「將影響我們所能看到的最大範圍,」Kleban說。隨著宇宙膨脹,它們的規模會增大,其結果與科羅拉多州和印第安納州的地形差異類似。

由於每一個新的膨脹模型都對古代光的偏振方向做出了自己的預測,普朗克小組預計明年將發布一份新的宇宙微波背景的「偏振圖」,這將有助於確定哪一種假說(如果有的話)有望實現。

目前,理論學家必須根據手頭的數據來調整他們的大爆炸理論。「總有一些事情你無法證明,因為我們還沒有技術,」Kleban說。「你只需要做好你的投籃,盡你最大的努力。」

相關焦點

  • 「普朗克」沒有發現宇宙異常的新證據
    歐洲航天局的普朗克衛星沒有發現新的證據來解釋其宇宙溫度圖中出現的令人費解的宇宙異常現象。最新的研究並沒有排除這些異常現象的潛在相關性,但它們確實意味著天文學家必須更加努力地去理解這些令人困惑的特徵的起源。普朗克的最新結果來自於對宇宙微波背景輻射(CMB)極化的分析。
  • 宇宙學家對宇宙中物質的密度和結構有了新的認知
    德國波鴻魯爾大學的的宇宙學家團隊對宇宙中物質的密度和結構有了新的認知。幾年前,該團隊參與了一個研究聯合體,該研究聯合體指出了不同研究群體之間的數據差異。物質密度和結構確定的值因不同測量方法而不同。一項新的分析包括更多的紅外數據,使差異更加突出。
  • 科學家發現一種宇宙悖論,開始懷疑宇宙的起源
    科學家發現一種宇宙悖論,開始懷疑宇宙的起源。而這種悖論就是,科學家已經確認一顆比宇宙還要古老的恆星。這到底是怎麼回事?
  • 宇宙中存在一種新的宇宙張力,導致宇宙變得比以往認識宇宙更稀薄
    到遙遠星系的光線到達地面望遠鏡時,它已經微妙地扭曲了-也許被擠壓成一個誇張的橢圓形。然後,天文學家試圖通過在廣闊的天空中測量大量遙遠星系形狀的統計畸變來繪製看不見的暗物質的圖。在這項新的研究中,千平方度巡天(KiDS)的成員在距離最遠100億光年的距離內觀測到約3100萬個星系。然後,他們使用這些觀測值來計算宇宙隱藏氣體和暗物質的平均分布。
  • 科學大家|宇宙的起源:大爆炸之前是什麼?
    宇宙的起源,這個話題大家在平時日常生活中可能聊得比較少。幾年前,我還是單身的時候,經常和家人,朋友聊這些話題,他們不約而同地去問:你是做什麼的?我記得那個時候也會被安排和一些異性朋友見面,她們也會在餐桌前聊這些話題。我就會跟對方侃侃而談半個小時,之後發現對面的椅子已經空了。
  • 一個新的宇宙學爭議:宇宙正以什麼樣的速率在膨脹
    由德國波鴻魯爾大學的天文學家希爾德布蘭特(Hendrik Hildebrandt)所帶領的一個宇宙學團隊,一直致力於理解宇宙中包含了多少質量,以及分析這些質量是均勻的分布在空間中,還是會聚集成簇。
  • 宇宙膨脹異常的4種猜想,愛因斯坦相對論遭質疑
    宇宙膨脹的速度比我們想像的要快,每當天文學家們認為他們接近了解宇宙的時候,大自然就會給他們另一個難題來應付。這給宇宙學家帶來了很多困擾。宇宙的快速膨脹,愛因斯坦的廣義相對論遭到質疑,因為該公式是計算框架,如果計算公式稍有錯誤,哪怕其他都是對的,結果肯定是不精確的。宇宙膨脹的速率是檢驗宇宙理論的驗金石,它通常被稱為哈勃常數,也是哈勃定律中的常數值。
  • 奇夸克物質天體可能在宇宙中存在,科學家發現中子星周圍神秘衛星
    我們的宇宙之中有很多的神秘現象,這些神秘的自然現象科學家一直試圖去破解,可是從目前的整體情來看,由於宇宙的範圍太大,再加上目前天文望遠鏡還有很多的技術限制,所以科學家研究受到了很大的限制。不過隨著科學家在技術方面的不斷突破,我們在快速地解決這些問題。
  • 研究宇宙結構起源的一項新測試
    許多宇宙學家認為,宇宙的結構是早期膨脹過程中發生的量子漲落的結果。然而,到目前為止,證實這一假設已被證明極具挑戰性,因為在分析現有的宇宙學數據時很難區分量子和經典原始波動。原始非高斯性的一個特徵是天空中三個或三個以上點的溫度變化是相關的(相關的)。這種相關性的精確形式可以區分充氣過程中波動的經典起源或量子起源。加利福尼亞大學和德國Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY的兩名研究人員最近基於原始非高斯性的概念設計了一種測試,可以幫助確定宇宙結構的起源。
  • 宇宙並非誕生於大爆炸?暴脹理論證明,宇宙處於無限自我複製中
    人類自從探索宇宙以來,一直在思考這一個問題,那麼就是宇宙到底是怎麼誕生的?這個問題在科學界也一直存在著,一定的爭議,每個人觀點和看法也都不同,由於人類科技發展水平還是有一定的局限性,因此我們對於宇宙的了解還是微乎其乎的,即使是這樣,人類對於未知世界探索從來沒有停止過腳步!
  • 宇宙到底有沒有一個起點?我們每天都能見到的自然現象給出答案!
    其實歷史上每個文明每種宗教都有自己獨特的見解,一種觀點認為,宇宙是蝸牛殼神秘產下一隻母雞和一隻鴿子後誕生的;另一種觀點認為是一個巨人從巨蛋裡蹦出後形成的。今天我們所說的宇宙大爆炸也是一個同樣有趣的說法,認為宇宙源於一無所有!一代代的科學家都在試圖探索我們身處世界的形成方式。
  • 宇宙的起源
    他們發現距地球很遠的星球或星系射到地球的光比離地球近的星的星光弱而且較偏紅色,即偏向可見光中的長波光譜。在聲學上有一種現象叫做都普勒轉移(Doppler Shift):當一個運動物體接近我們時,我們收到的它的聲波頻率偏高;當它遠離我們而去時,我們收到的它的聲波則偏向低頻。一個最常見的例子是,當火車駛進站時,站在月臺上的人聽到它的鳴笛十分高亢;當它離站駛去時,笛聲則變得低沉。
  • 宇宙中缺失的質量到底隱藏在哪呢?宇宙學家終於發現了其藏匿之處
    在最大尺度上,宇宙物質是統一的,但是在較小尺度上,普通物質具有令人著迷的結構。宇宙物質看起來很像一杯生啤酒頭上的泡沫。在生啤酒中,氣泡是圍繞著空白空間的液膜。而且,從遠處看,泡沫看起來是均勻的白色。在宇宙中,物質是相似的。 星系聚集在圍繞巨大宇宙空間的薄片中。這種結構的起源非常古老。大爆炸之後不久,當時構成宇宙的熱等離子體足夠密集以支持聲波,事實上,宇宙像鈴一樣響著。
  • 宇宙開始變得有點怪異 科學家認為大家忽略了宇宙的基本成分
    對此科學家提出一個重要線索,認為大家忽略了宇宙的基本成分,或者忽略了這些基本成分是如何混合在一起。目前,科學家提出第二個重要線索——「宇宙可能形成的標準模型」,今年7月底,科學家宣稱,現代宇宙看起來出乎意料地薄,星系、氣體和其他物質並未按照預期那樣聚集在一起。早先的一項研究也給出了類似的提示,但目前科學家基於7年觀測數據的最新分析,是迄今最為清晰地指向異常現象的獨立證據。
  • 宇宙學家們利用引力透鏡可以為宇宙的總質量「稱重」
    據物理學家組織網近日消息稱,宇宙學家們利用引力透鏡,重新確定了宇宙物質的密度和結構,進而可以為宇宙的總質量「稱重」。而目前表現出和以往的較大差異,可能預示著宇宙學標準模型的缺陷。該成果屬於歐洲的「千平方度巡天」計劃,相關報告發表在《天文學與天體物理學》期刊上。一百多年來,科學家們一直試圖更精確地了解宇宙的「體重」。
  • 一張「嬰兒宇宙」的照片揭示了宇宙中暗物質和暗能量的精確數量
    他們在隨後幾年裡對「宇宙微波背景」(CMB)進行了改進,他們繪製的地圖顯示,人們熟悉的行星、氣體和恆星物質只佔宇宙的4.6%,而看不見的暗物質佔24%。剩下的71.4%的必須是暗能量,它被認為注入了空間本身的結構。10年後,WMAP的繼任者普朗克衛星拍攝了一張更清晰的宇宙微波背景輻射圖像。儘管其他關於暗能量和暗物質的證據仍然存在爭議,但它們在宇宙微波背景中的「指紋」毫無疑問。
  • 浩瀚宇宙中的七大未解之謎
    當一顆巨星坍塌並且爆聚稱一小片區域時就會形成黑洞,它的引力異常強大,以至於周圍的光線都無法逃逸。這就意味著即使我們了解黑洞的原理,我們也並未真正觀察到一個黑洞。巨洞:與黑洞不同的是巨洞並非是宇宙中的一個洞,相反的是它只是缺乏物質和暗物質。而且與黑洞不同的是,光線能夠穿過空洞,而且科學家們認為其中含有暗能量。
  • 論生命和宇宙起源科學認識的未定性
    1999年,澳大利亞的一個古生物化學團隊在一塊距今27億年的化石中發現了一種生物標誌物,該發現將藍藻最早的產生時間至少向前推進了5.5億年,把真核細胞最早的產生時間至少推進了10億年。巖石內的生物標誌物可能在沉積物內形成之後滲入到巖石體。一些科學家相信,地球上最早的生命形態為一種單細胞體,它們被稱之為原核生物體,在原核生物體之後出現了藍藻,它是一種通過光合作用產生氧氣的細菌。
  • 宇宙起源之謎:或從「虛空」中誕生?
    宇宙起源一直是科學家研究的問題,在我們的眼中事物發展變化總是有一個起因的,宇宙也不可能憑空出現,但是科學實驗卻告訴我們,宇宙或許真的是在虛空中誕生
  • 研究表明:宇宙或是一個球體!而且比平坦宇宙能容納更多暗物質!
    這一結果是基於普朗克衛星對宇宙微波背景的測量,宇宙微波背景是大爆炸遺留下來的。根據愛因斯坦的廣義相對論,質量扭曲了它周圍的空間和時間。因此,光線明顯地繞著一個巨大的物體轉了一半圈甚至更多,而不是沿直線傳播,這種效應被稱為引力透鏡效應。普朗克數據中這樣的透鏡,比應該存在的要多得多,這意味著宇宙中可能包含比我們想像要多得多的暗物質。