宇宙有多重？矛盾的答案暗示著新的物理學

兩種完全不同的「稱量」宇宙的方法產生了不同的結果。如果更精確的測量不能解決差異，物理學家可能必須修改宇宙學的標準模型，這是我們對宇宙的最佳描述。德國波鴻魯爾大學的天文學家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。」

在過去的幾年中，通過兩次獨立計算所謂的哈勃常數，即今天宇宙膨脹的速度，引起了人們對標準模型的正確性的類似擔憂。這兩個測量值也不一致，產生了所謂的哈勃張力。

新的差異（稱為西格瑪八張力）涉及測量宇宙中物質的密度以及其聚集的程度，而不是均勻分布的程度。結果封裝在一個名為sigma-eight的參數中。為了計算西格瑪八號，希爾德布蘭特和他的同事轉向了一種稱為弱引力透鏡的效應，由於來自銀河系和地球之間物質的引力，來自遙遠星系的光向望遠鏡的偏轉很小。產生的畸變是如此之小，以至於幾乎不會改變單個星系的形狀。但是，如果您在一片天空中平均採用成千上萬個星系的形狀，就會發出微弱的鏡頭信號。假設星系應相對於地球隨機定向，則它們的平均形狀應接近圓形，即沒有弱透鏡。但是，由於此效果產生的輕微失真，平均形狀反而轉向橢圓形。

天文學家使用此信號來估計沿視線到大片天空中各種富含銀河區域的視線中的介入物質（正常和深色變體）的數量和分布。換句話說，他們設法測量了物質的宇宙密度。但是這樣做恰恰需要更多的信息：到每個正在研究的星系的距離。通常，天文學家通過發現它的光譜紅移來計算到另一個星系的距離，紅移是指星系的光朝光譜的紅邊的較長波長移動的量。紅移越大，物體越遠。

但是，在處理數百萬個星系時，測量單個光譜的紅移效率極低。因此，希爾德布蘭特（Hildebrandt）的團隊轉向了一種稱為光度紅移的技術，該技術涉及以不同波長在光學和近紅外範圍內拍攝同一片天空的多個圖像。研究人員使用這些圖像來估計每個星系中單個星系的紅移。希爾德布蘭特說：「它們不如傳統的光譜紅移那樣好。」 「但是就望遠鏡時間而言，它們的效率要高得多。」

在整個分析過程中，研究小組使用了九個波段（四個光學波段和五個近紅外波段）中數百個平方千米的天空（滿月大約是一個半度）的高解析度圖像。歐洲南方天文臺的千度調查（KiDS）和VISTA 千度紅外星系調查（VIKING）使用該組織位於智利的Paranal天文臺的兩臺小型望遠鏡收集了大約1500萬個星系的這些觀測數據。

VIKING數據通過在近紅外波長下對天空的同一區域進行多次觀測，從而增強了KiDS數據集。一個星系的距離越遠，它離開我們的速度就越高。這導致更多的星系光被紅移到近紅外範圍，因此僅依靠光學觀察是不夠的。紅外測量結果捕獲了來自這些星系的大量光，從而更好地估計了它們的光度紅移。

為了確保光度紅移儘可能準確，這些觀測值是根據帕拉納爾更大的8米超大型望遠鏡和莫納克亞山的10米凱克望遠鏡對一些相同星系的光譜紅移測量進行校準的。夏威夷約翰·霍普金斯大學的天體物理學家和諾貝爾獎獲得者亞當·裡斯（Adam Riess）批准了KiDS研究人員的工作。他說：「他們的最新結果使用紅外數據，這可能在追蹤鏡片質量和獲得可靠的光度紅移方面做得更好。」

天文學家利用合併後的數據（覆蓋約350平方公裡的天空）估算出sigma-八。他們發現的值與使用歐洲航天局的普朗克衛星對宇宙微波背景（CMB）的觀測結果計算出的sigma-八位數相衝突。宇宙中最早的可觀測光，是在大爆炸之後約38萬年發出的。普朗克繪製了CMB的溫度和極化在天空中從點到點的變化。宇宙學家可以使用該地圖來計算早期宇宙的西格瑪八值。使用宇宙學的標準模型（說宇宙由大約5％的普通物質，27％的暗物質和68％的暗能量組成），

這就是張力。希爾德布蘭特的弱鏡頭研究估計sigma-eight約為0.74，而Planck數據提供的值約為0.81。希爾德布蘭特說：「大約有1％的機會使這種[緊張程度]發生統計波動。」 統計波動是數據中的隨機噪聲，可以模擬實際信號，並且隨著更多數據而消失。「這不是徹底失去睡眠的東西。」仍然沒有一個或兩個團隊的計算中也可能存在系統錯誤。在研究人員識別出任何此類錯誤之後，差異可能會消失。或可能不會這樣做，哈勃緊張局勢就是這種情況。隨著天文測量變得越來越精確，哈勃張力的統計意義只在增長，給不止幾個焦慮的理論家造成了不眠之夜。「希爾格布蘭德的西格瑪八度差異可能會發生類似的情況。」 「我們不知道。」

裡斯率領一支團隊使用附近宇宙中超新星的測量值估算哈勃常數，他將sigma-8張力比作「哈勃張力的小弟弟或妹妹」。現在，這種差異在統計上被認為是具有重大意義的，成為3.5幸的機會不到350萬分之一。幾年前哈勃（Hubble）緊張的地方就是西格瑪八分之一的緊張局勢，十分之一的機會成為統計異常。裡斯說：「因此，它的重要性不高，但值得密切關注。」

如果西格瑪把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變得太大而無法忽略。屆時，宇宙學家可能被迫運用新的物理學方法，以使普朗克估算值與當今宇宙參數的直接測量值保持一致。希爾德布蘭特說：「那將是令人興奮的選擇。」對標準模型的潛在「新物理學」修複方法可能涉及更改暗能量或暗物質（或兩者）的數量和性質，以及調整它們彼此之間以及與正常物質的相互作用方式，以及其他更奇特的修改。裡斯說：「一些理論模型解決了修正哈勃恆張力的宇宙學模型，使這種[σ八張力]變差了。有些使它變好了。」

希爾德布蘭特同意沒有明顯的解決方案。他說：「如果有一個引人注目的模型，也許人們會跳上這一潮流。」 「但是目前，我不認為存在。提高（西格瑪八張力）的重要性或反駁它確實是我們觀察者的責任。」