宇宙沒(méi)有想象的那么“疙疙瘩瘩”

宇宙沒(méi)有想象的那么“疙疙瘩瘩”

在利用位于智利的歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）對(duì)超過(guò)3000萬(wàn)個(gè)星系觀測(cè)7年后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙的均勻性比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要高出近10%。

本報(bào)記者 張 曄

宇宙中的天體分布到底是均勻的還是不均勻的？科學(xué)家一直在尋找答案。

過(guò)去，在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的理論框架下，根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，科學(xué)家認(rèn)為宇宙早期經(jīng)歷了一個(gè)被稱為“暴脹”的急速膨脹階段，這一階段的量子漲落造成了宇宙的密度漲落。隨著宇宙的演化，漲落越來(lái)越大，宇宙也就慢慢地變得不那么均勻了。

近日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，經(jīng)過(guò)為期7年的千度調(diào)查（KiDS），科學(xué)家利用位于智利的歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT），觀測(cè)了距離地球100億光年的宇宙中超過(guò)3000萬(wàn)個(gè)星系。結(jié)果顯示，宇宙的均勻性比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要高出近10%。

宇宙均勻性是什么？科學(xué)家又是怎樣計(jì)算出整個(gè)宇宙的均勻性？此次觀測(cè)結(jié)果比模型預(yù)測(cè)高出10%意味著什么？

技術(shù)進(jìn)步使均勻性驗(yàn)證成可能

目前，用來(lái)描述宇宙大爆炸和宇宙進(jìn)化的標(biāo)準(zhǔn)模型為弗里德曼模型，其理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦于1915年發(fā)表的廣義相對(duì)論。

廣義相對(duì)論實(shí)質(zhì)上是關(guān)于引力的理論。1922年，俄國(guó)物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼將廣義相對(duì)論應(yīng)用于整個(gè)宇宙，建立了第一個(gè)宇宙模型。

也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和弗里德曼最初提出的宇宙模型，演化成為一個(gè)共同的假設(shè)：宇宙是均勻和各向同性的。這就意味著，宇宙的均勻性在任何位置、任何方向上都應(yīng)該是一樣的。這一假設(shè)是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)，即宇宙學(xué)原理。這一原理是否正確最終需要觀測(cè)驗(yàn)證，綜合星系計(jì)數(shù)、射電源計(jì)數(shù)和微波背景輻射等各種觀測(cè)結(jié)果，這一原理的正確性是有保證的。

然而，當(dāng)我們將目光投向宇宙時(shí)，看到的卻是另一幅景象：億萬(wàn)顆恒星組成了星系，星系組成星系團(tuán)，星系團(tuán)又組成超星系團(tuán)……甚至還有一個(gè)個(gè)星系組成的盤根錯(cuò)節(jié)的星系“鏈”。這樣看來(lái)，宇宙到底是均勻的還不均勻的呢？

“如果把宇宙分成一個(gè)個(gè)大塊，每個(gè)大塊的密度是相對(duì)均勻的。但是每個(gè)大塊內(nèi)的物質(zhì)又有不同的結(jié)構(gòu)，有的區(qū)域物質(zhì)密度非常大，我們稱之為核；有的區(qū)域密度非常小，我們稱之為空洞。核與核之間還通過(guò)絲狀物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)相連接?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員馮磊告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“宇宙的物質(zhì)分布就像是平衡態(tài)，各種天體結(jié)構(gòu)就像是平衡態(tài)的漲落?！?/p>

科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)初做出這一假設(shè)有兩個(gè)原因：一是從實(shí)用的角度考慮，因?yàn)橛脕?lái)描述宇宙的方程太復(fù)雜了，如果宇宙不是均勻的，求起解來(lái)非常困難，也就無(wú)法直觀地描述所觀測(cè)的各類天體；二是由于觀測(cè)手段的匱乏，當(dāng)時(shí)的科技水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法支撐人類對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙的探索，沒(méi)有人知道宇宙在大尺度結(jié)構(gòu)上是什么樣子的。這樣一來(lái)，把宇宙設(shè)想成最簡(jiǎn)單的形式也就合情合理了。

此前人們沒(méi)有能力從觀測(cè)上對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。但隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，我們能看到的宇宙區(qū)域越來(lái)越廣，終于可以對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

均勻與否和觀測(cè)尺度有關(guān)

也許未來(lái)的某一天，人類可以飛出太陽(yáng)系，飛向距離太陽(yáng)系最近的鄰居——半人馬座，來(lái)一趟說(shuō)走就走的旅行。

但是，作為一名太空旅客，你可能會(huì)感到異常乏味，覺(jué)得這次旅游是一個(gè)很糟糕的決定，盡管兩地相距僅有4.2光年，旅途中大部分時(shí)間都見(jiàn)不到一點(diǎn)物質(zhì)的影子。

從科學(xué)上理解，這表示在相對(duì)較小的尺度范圍內(nèi)宇宙并非均勻分布。

那么，在大尺度范圍內(nèi)宇宙是否就一定是均勻的呢？許多科學(xué)家都認(rèn)為，宇宙就像是海洋，從近處看波浪迭起，但從高空看，卻光滑如鏡。

但是在20世紀(jì)80年代，人們通過(guò)大范圍的星系紅移巡天觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：宇宙的均勻性與尺度有直接關(guān)系，即使從上億光年的尺度上看，宇宙空間里星系都并非均勻分布，而是呈現(xiàn)出許多空洞和纖維狀的結(jié)構(gòu)，只有在幾十億光年的尺度上星系分布才變得均勻。

“在星系與星系之間，宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以把星系連成一片，構(gòu)成星系團(tuán)，如果不是存在一種神秘而不可見(jiàn)的物質(zhì)，星系團(tuán)早就分崩離析了?！瘪T磊告訴科技日?qǐng)?bào)記者，科學(xué)家把這種看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)稱為暗物質(zhì)。宇宙由天體、暗物質(zhì)、暗能量組成，其中暗物質(zhì)和暗能量占宇宙的95%，許多看起來(lái)空無(wú)一物的宇宙空間中卻是“暗”流涌動(dòng)。我們通常把普通物質(zhì)、冷暗物質(zhì)和宇宙學(xué)常數(shù)組成的加速膨脹宇宙學(xué)模型稱為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。

總之，盡管從某一角度來(lái)說(shuō)，宇宙是不均勻的，但是在大尺度上，宇宙的物質(zhì)分布是均勻的，標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型還可以繼續(xù)用下去。

或?qū)⒏膶懡?jīng)典宇宙學(xué)理論

宇宙的均勻性其實(shí)并非一成不變。

宇宙微波背景輻射（CMB）的觀測(cè)表明，宇宙在38萬(wàn)歲的時(shí)候，有的地方溫度高，有的地方溫度低，這種溫度的漲落與平均溫度的比值大約是1/100000。“我們也可以把溫度的漲落看成光子密度的漲落，可以作為宇宙均勻性的輸入初始值?！瘪T磊說(shuō)道。

但是，隨著宇宙的“成長(zhǎng)”，密度的漲落會(huì)慢慢地變大。密度較大的物質(zhì)會(huì)通過(guò)引力“襲擊”周圍區(qū)域，把其他物質(zhì)吸引過(guò)來(lái)，就像滾雪球一樣越來(lái)越大。

這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，宇宙的均勻性會(huì)慢慢偏離初始值，變得越來(lái)越不均勻。這一過(guò)程是精確可算的，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，還可以檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的準(zhǔn)確性。

此次千度調(diào)查項(xiàng)目（KiDS）的觀測(cè)結(jié)果顯示，宇宙的均勻性比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要高出近10%。也就意味著，標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型預(yù)測(cè)的結(jié)果“略顯夸張”。

據(jù)悉，這項(xiàng)觀測(cè)采用的是弱引力透鏡方法。這種方法通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)天體時(shí)傳播路徑的彎曲來(lái)推算宇宙的物質(zhì)分布。這與另一項(xiàng)名為重子振蕩光譜調(diào)查（BOSS）的單獨(dú)研究對(duì)星系群的觀察相結(jié)合，提供了對(duì)暗物質(zhì)分布的精確測(cè)量。

如果這些發(fā)現(xiàn)是正確的，它們可能會(huì)有一些廣泛的影響。這可能意味著，大尺度上的引力與人們想象的不同，正如愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣，物質(zhì)落入宇宙密集區(qū)域的速度比預(yù)期的要慢。又或者，人們對(duì)暗能量的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)榘的芰勘徽J(rèn)為是造成宇宙加速膨脹的“幕后推手”。

但是，這一觀測(cè)結(jié)果目前仍存爭(zhēng)議。馮磊認(rèn)為，雖然這個(gè)項(xiàng)目持續(xù)7年觀測(cè)了3000萬(wàn)個(gè)星系，約占宇宙的5%，但也有一種可能是這5%的空間恰恰是比較均勻的，所以還需要其他天區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，才能更好地確定宇宙的均勻性。

由于這一觀測(cè)結(jié)果來(lái)得極其突然，全球的天文學(xué)家在震驚之余還沒(méi)有開(kāi)展相應(yīng)的研究?！叭绻@一結(jié)果被證明是對(duì)的，那么我們就要反過(guò)來(lái)思考廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)參數(shù)是否需要修改。”馮磊告訴記者，這可能會(huì)顛覆人們對(duì)宇宙演化的理解。