一個新的宇宙學爭議:宇宙正以什麼樣的速率在膨脹

2020-11-30 騰訊網

我們都知道，宇宙正在膨脹。它的膨脹速率是由一個重要的常數給出的，那就是哈勃常數。自哈勃（Edwin Hubble）在近100年前提出以來，關於哈勃常數的精確數值就爭議不斷。

如今，宇宙學雖然已經步入了精確宇宙學的時代，但天文學家仍舊無法對其數值達成一致的意見，因為不同（但同樣精確）的方法會給出兩個不同的數值。一種解釋這種差異的可能性，是已建立的宇宙學標準模型（即ΛCDM）或許有「裂縫」。根據ΛCDM，宇宙由5%的普通物質、27%的暗物質和68%的暗能量組成。

詳見：《9%的差異之謎》

為了儘快破解哈勃常數值的差異之謎，目前天文學家已經在使用不同的方法（包括引力波）開始測量宇宙的膨脹率。

然而，一波未平一波又起。

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。

在最新的一項研究中，希爾德布蘭特的團隊通過弱引力透鏡，分析了由天文項目Kilo-Degree Survey（KiDS）收集到的約3100萬個星系之後，發現了一個新的差異：宇宙比ΛCDM預測的更加均勻。宇宙中的星系、其他和其他物質並沒有像它們預期中的那樣聚集在一起。

為了確定宇宙中物質的聚集程度，研究人員通過帕拉納爾天文臺的KiDS數據，分析了數千萬個星系的分布。在所有KiDS數據中，最遠的距離我們有100億光年之遠，這意味著望遠鏡接收到的光，其實是星系在宇宙還不到現在年齡一半的時候就發出的。圖中黃色表示宇宙中密度較大的區域，粉色表示密度較低的區域。| 圖片來源：B. GIBLIN, K. KUIJKEN KIDS TEAM (SKY SURVEY); Y. BELETSKY/ESO

更確切地說，這一爭議被稱為Sigma-8爭議，這一參數反映了宇宙中物質的密度，以及物質聚集的程度。然而，兩種完全不同的方法卻給出了不一致的值。

Sigma-8（S ）參數的定義。

宇宙學家會應用引力透鏡效應來給天體稱重。

引力透鏡效應指的是，當一個遙遠星系發出的光線經過介於地球和星系之間的大質量天體（如星系團）時，光線會因為大質量天體的巨大引力而發生偏折；中間天體的質量越大，光束的偏折就越大。因此，當一個星系所發出的光因引力透鏡效應而發生偏折時，天文學家觀測到的星系位置其實是有別於它的實際位置的。如果能夠測量到偏折，就能推算出天體的質量。

但要做到這一點，宇宙學家必須克服一些障礙。

除了我們可以看到是已經發生了位置移動的星系，而不知道它實際位置在哪裡這一難題之外，研究人員還需要知道如何計算出發出光的星系、途中偏折了光線的物質與地球之間的距離，而這是很難的，因為我們只能看到天空的二維圖像，很難估計天體在視線方向上離我們究竟有多遠。

不過，對於這些難題，天文學家們並非完全無計可施。他們會對這樣一個事實來加以應用，即有大質量天體造成的引力透鏡效應，並不會像完美的透鏡那樣使光線發生偏折，而是會造成畸變，使得星系的形狀發生改變。如果知道星系的原本形狀，然後計算引力透鏡效應下的星系形狀與原本形狀的偏差，就能判斷畸變的程度。

天文學家會利用引力透鏡效應來對遙遠星系進行觀測，從而確定宇宙的物質密度。來自這些星系的光在抵達地球的路上會經過大質量天體，比如包含大量暗物質的星系團，導致光發生偏轉，使得從地球上看，星系的圖像會出現畸變。| 圖片來源：Agentur der RUB

但是通常情況下，當所涉及到的天體數量眾多時，研究人員就無法將這種方法應用於每一個天體，而是要對大量星系進行平均計算，計算出它們的平均畸變，這被稱為宇宙切變。利用統計學方法，研究人員確定了天空大範圍內數千萬個星系的畸變。在這些結果的基礎之上，並在知道這些星系與地球的距離的前提下，物理學家就能得出光的偏折，以及使光發生偏折天體的質量。

在計算星系離我們多遠時，天文學家會用到星系的顏色來確定它們的距離。我們知道，當來自遙遠星系的光到達地球時，會向光譜中紅色的部分偏移。宇宙學家會在不同波段下拍攝下星系的圖像，例如分別在藍光、綠光、紅光，以及紅外光範圍內進行拍攝。然後，再分別確定星系在不同圖像中的亮度。希爾德布蘭特就是進行這類分析的專家，並將這種方法應用到了KiDS項目上。基於KiDS所收集的數據，研究人員計算出了宇宙中的物質密度和聚集趨勢的綜合值。

然而，希爾德布蘭特等人利用的為引力透鏡效應所求得的Sigma-8的數值，卻與另一種測量方法所得到的結果截然不同。第二種方法來自於普朗克衛星測量的宇宙微波背景（CMB）。CMB是可觀測的最古老的光，產生於大爆炸約38萬年後，至今仍然遍布在空間各處。

由普朗克衛星觀測到的宇宙微波背景，圖中不同顏色代表微小的溫度漲落。| 圖片來源：ESA & 普朗克合作組

宇宙學家通過CMB來計算早期宇宙Sigma-8的值，接著通過ΛCDM，他們可以推算出今天Sigma-8的值。這一方法給出的值為0.81，而通過宇宙切變得到的數值為0.76。

之所以會出現這一差異有幾種可能性，或許是因為在計算中隱藏著統計誤差，又或許是因為ΛCDM出了問題。

如果是後者，那麼問題就嚴重了。ΛCDM是現有的對宇宙的最好描述，它是以愛因斯坦的廣義相對論為基礎而發展起來的，描述了宇宙的起源和演化。大量天文學研究都需要依賴於這個模型來對觀測數據進行解釋。

雖然現在就否定宇宙學的標準模型顯然還為時過早，因為從統計上而言，KiDS的數據仍然有概率和普朗克衛星的數據重疊。不過在希爾德布蘭特的研究中，他們嘗試了用一些標準模型的替代模型來對數據進行解釋，並找到了一個能解釋這種數值差異的模型。

在替代模型中，標準模型中被用於描述了引力的愛因斯坦的宇宙常數被暗能量所取代。這種替代模型的特別之處就在於，它的暗能量會隨著時間而變化。希爾德布蘭特認為這或許是一個合理的假設，因為CMB起源於大爆炸不久之後的年輕宇宙，而引力透鏡效應測量的是一個年長得多的宇宙，在這段時間裡，宇宙中的暗能量可能發生了變化。

希爾德布蘭特表示，要更好地這種差異，或許還需要以更高的精度來對數據進行全面評估，以此來確定宇宙的物質密度。如果更精確的測量仍不能解決這種差異，物理學家或許就需要更認真地考慮修改標準模型的方案。

參考來源：

https://news.rub.de/english/2020-04-28-cosmology-how-much-does-universe-weigh

https://arxiv.org/pdf/2007.15633.pdf

https://www.quantamagazine.org/a-new-cosmic-tension-the-universe-might-be-too-thin-20200908/

https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/

封面圖來源：A. Tudorica/ESO

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