給宇宙稱重:兩個不同的結果,可能導致宇宙模型崩潰

圖片來源：ESA/Hubble, NASA and RELICS

作者 | 阿尼爾·阿南塔薩米（Anil Ananthaswamy）

翻譯 | 賀白

宇宙有多重？或者說，宇宙中有多少物質呢？為了給宇宙稱重，天文學家做出了許多嘗試。然而兩種完全不同的「稱量」宇宙的方法，卻得出了不同的結果。一些研究者並不在意，認為這只是某種計算誤差導致的。然而另一部分研究者卻憂心忡忡，他們擔心這一差異會導致現有的標準宇宙模型崩潰。

兩種完全不同的「稱量」宇宙的方法，卻產生了截然不同的結果。如果這種差異不是由測量誤差導致的，那麼物理學家可能不得不修改目前對宇宙的最佳描述——標準宇宙模型。

德國波鴻魯爾大學（Ruhr University Bochum）的天文學家昂德裡克·希爾德布蘭特（Hendrik Hildebrandt）說：「如果這真的預示著標準模型的崩潰，那將具有潛在的開創性意義。」

對於哈勃常數（代表了當今宇宙的膨脹速度），通過兩種不同測量方法得到的數值始終存在分歧，也引發了人們對標準模型正確性的擔憂。哈勃常數測量值的分歧，也被稱作哈勃爭議（Hubble tension）。

而現在，在宇宙學中，另一個影響深遠的分歧出現了，這就是sigma-8爭議。宇宙中的物質不是均勻分布的，而sigma-8反映了與宇宙中物質的密度，以及物質聚集的程度。

如何測量宇宙質量

為了計算sigma-8，希爾德布蘭特和同事轉而研究了一種叫作弱引力透鏡的效應。這種效應指的是，由於星系和地球之間也分布著少量物質，因而來自遙遠星系的光在抵達望遠鏡的過程中，會受到這些物質的引力作用，輕微地彎曲。

當然，由此產生的扭曲程度非常微弱，幾乎不會改變單個星系的形狀。但是如果你計算一定範圍內數以萬計星系的形狀的平均值，就會發現微弱的透鏡效應。假設星系相對地球的方向是隨機的，那麼在不考慮弱透鏡效應的情況下，它們的平均形狀應該是近圓形。但由於這種效應導致的輕微扭曲，星系的平均形狀會變成橢圓。

天文學家利用這樣的信號，估計了我們與各個星系密集區域之間的物質（包括普通物質和暗物質）的含量和分布。換句話說，他們設法測量了宇宙中物質的密度。

但要做到這一點，還需要另一個信息：我們到各星系的距離。通常，天文學家通過光譜紅移來計算這一距離。紅移是星系發出的光的波長向光譜紅光部分的偏移。紅移越大，該天體距離我們越遠。

然而，在處理上百萬個星系時，用光譜紅移逐一測量單個星系距離的方法效率極低。因此希爾德布蘭特的研究小組轉而選擇了一種叫作測光紅移的方法，即在從可見光到近紅外波段的不同波段中，分別拍攝同一天區的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來估計每個星系的紅移。「這樣得出的結果不如傳統的光譜紅移方法準確，」希爾德布蘭特說，「但考慮到使用望遠鏡的時間，它的效率要高得多。」

在整個分析過程中，研究小組在9個波段（4個可見光波段和5個近紅外波段）進行觀測，獲得了數百平方度天區（滿月的直徑約為0.5度）範圍的高解析度圖像。他們使用兩臺小型望遠鏡對大約1500萬個星系進行了觀測。他們使用歐洲南方天文臺在智利帕瑞納(Paranal)天文臺的兩個巡天項目對大約1500萬個星系進行了觀測。這兩個項目分別是千平方度巡天(Kilo-Degree Survey，KiDS)和VISTA千平方度紅外星系巡天（VIKING）。

VIKING可以在近紅外波段對同一片天區進行多次觀測，從而對KiDS的數據進行補充。一個星系距離我們越遠，它離我們而去的速度就越快，星系發出的光的紅移就越明顯，也就是說更多的光線會從可見光波段進入紅外波段，因此僅僅在可見光波段進行觀測是不夠的。而紅外測量能夠捕獲更多光線，從而幫助研究人員更好地估算它們的測光紅移。

為了確保測光紅移的計算儘可能準確，研究者還使用了帕瑞納的8米甚大望遠鏡（Very Large Telescope）和夏威夷冒納凱亞的10米凱克望遠鏡（Keck telescopes）對幾個星系的光譜紅移測量值進行了校準。

宇宙測距概念圖（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

美國約翰·霍普金斯大學的天體物理學家、諾貝爾獎獲得者亞當·裡斯（Adam Riess）對KiDS研究人員的努力表示了認可。他說：「他們的最新結果使用了紅外數據，這或將幫助我們更好地理解透鏡效應，並獲得更可靠的測光紅移結果。」

結果帶來的爭議

天文學家利用覆蓋了大約350平方度天區的綜合數據，估計出了sigma-8的數值。然而問題在於，這個數值與根據普朗克衛星對宇宙微波背景（CMB）的觀測值計算的sigma-8值存在差異。CMB是宇宙中最早的可觀測光，在大爆炸後約38萬年發出。普朗克衛星逐點繪製了CMB溫度和偏振的變化圖。這樣，宇宙學家就可以利用這張圖來計算早期宇宙的sigma-8值。利用宇宙標準模型（該模型指出，宇宙由大約5%的普通物質、27%的暗物質和68%的暗能量組成），他們可以推演出經歷了130多億年的演化後，宇宙當前的 sigma-8值。

問題來了：希爾德布蘭特根據弱透鏡效應估計的sigma-8約為0.74，而普朗克衛星數據提供的值約為0.81。有一種可能性是，這種差異源自統計波動，即數據中出現的隨機噪點。但希爾德布蘭特說，sigma-8爭議源自統計波動的概率「大約只有1%」，因此「統計波動不是什麼大問題。」

至少目前來說，還存在其他可能的解釋。這種差異也可能源自於一兩組計算中隱藏的系統誤差。如果研究人員排查出任何此類誤差，這個問題就會消失。

或者，在那之後，爭議仍然存在，就像哈勃爭議一樣。隨著天文測量變得越來越精確，哈勃爭議的統計學顯著性變得越來越大，這甚至讓一些理論學家憂慮到失眠。「我們的sigma-8偏差也可能會出現相似的情況，」希爾德布蘭特說，「但目前我們還不確定。」

裡斯領導了一個估算哈勃常數的研究組，他的團隊通過測量附近宇宙中的超新星來估算哈勃常數。他將sigma-8張力比作「哈勃爭議的姊妹」。目前，研究者認為哈勃爭議源自誤差的概率只有不到350萬分之一，所以它具有統計學意義。與過去幾年間對哈勃爭議的認識過程類似，目前認為Sigma-8爭議有百分之一的概率源自統計偏差。裡斯說：「所以Sigma-8爭議沒有那麼顯著，但仍然值得關注。」

如果sigma-8爭議的統計學顯著性上升到了與哈勃爭議相同的水平，那麼重新評估宇宙標準模型將變得非常必要。到那時，宇宙學家可能需要建立新的宇宙學物理模型，使普朗克衛星的估計值與目前的直接測量值一致。

如果未來真的需要「新物理學」來修正標準模型，那麼它可能需要同時或分別改變暗能量或暗物質的含量和性質，並調整它們之間、它們與普通物質的作用方式，甚至其他更離奇的修正。「目前一些試圖平息哈勃爭議的修正理論，反而加劇了sigma-8爭議，而有些理論則契合得更好，」裡斯說。

希爾德布蘭特也認為目前沒有明確的解決辦法。「如果有一個不錯的模型，也許人們會採納，」他說，「但目前，我認為這樣的模型還沒有出現。我們觀測者需要提高對sigma-8爭議的重視，或者乾脆證明它是假的。」