天體分布均勻嗎？宇宙沒有想象的那么“疙疙瘩瘩”

在利用位于智利的歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)對超過3000萬個星系觀測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)測的要高出近10%。

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。

過去，在愛因斯坦廣義相對論的理論框架下，根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測，科學(xué)家認(rèn)為宇宙早期經(jīng)歷了一個被稱為“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，漲落越來越大，宇宙也就慢慢地變得不那么均勻了。

近日，據(jù)國外媒體報道，經(jīng)過為期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甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)，觀測了距離地球100億光年的宇宙中超過3000萬個星系。結(jié)果顯示，宇宙的均勻性比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要高出近10%。

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

技術(shù)進步使均勻性驗證成可能

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

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

也就是說，愛因斯坦的廣義相對論和弗里德曼最初提出的宇宙模型，演化成為一個共同的假設(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驗證，綜合星系計數(shù)、射電源計數(shù)和微波背景輻射等各種觀測結(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，看到的卻是另一幅景象：億萬顆恒星組成了星系，星系組成星系團，星系團又組成超星系團……甚至還有一個個星系組成的盤根錯節(jié)的星系“鏈”。這樣看來，宇宙到底是均勻的還不均勻的呢?

“如果把宇宙分成一個個大塊，每個大塊的密度是相對均勻的。但是每個大塊內(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。核與核之間還通過絲狀物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)相連接。”中國科學(xué)院紫金山天文臺副研究員馮磊告訴科技日報記者，“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。”

科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)初做出這一假設(shè)有兩個原因：一是從實用的角度考慮，因為用來描述宇宙的方程太復(fù)雜了，如果宇宙不是均勻的，求起解來非常困難，也就無法直觀地描述所觀測的各類天體;二是由于觀測手段的匱乏，當(dāng)時的科技水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法支撐人類對遙遠(yuǎn)宇宙的探索，沒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，把宇宙設(shè)想成最簡單的形式也就合情合理了。

此前人們沒有能力從觀測上對這一假設(shè)進行驗證。但隨著觀測技術(shù)的進步，我們能看到的宇宙區(qū)域越來越廣，終于可以對其進行驗證。

均勻與否和觀測尺度有關(guān)

也許未來的某一天，人類可以飛出太陽系，飛向距離太陽系最近的鄰居——半人馬座，來一趟說走就走的旅行。

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

從科學(xué)上理解，這表示在相對較小的尺度范圍內(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，人們通過大范圍的星系紅移巡天觀測發(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，宇宙中的可見物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以把星系連成一片，構(gòu)成星系團，如果不是存在一種神秘而不可見的物質(zhì)，星系團早就分崩離析了。”馮磊告訴科技日報記者，科學(xué)家把這種看不見的神秘物質(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%，許多看起來空無一物的宇宙空間中卻是“暗”流涌動。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，盡管從某一角度來說，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

宇宙的均勻性其實并非一成不變。

宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測表明，宇宙在38萬歲的時候，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。”馮磊說道。

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

這就帶來一個問題，宇宙的均勻性會慢慢偏離初始值，變得越來越不均勻。這一過程是精確可算的，根據(jù)測量結(jié)果，還可以檢驗標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的準(zhǔn)確性。

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

據(jù)悉，這項觀測采用的是弱引力透鏡方法。這種方法通過測量光經(jīng)過天體時傳播路徑的彎曲來推算宇宙的物質(zhì)分布。這與另一項名為重子振蕩光譜調(diào)查(BOSS)的單獨研究對星系群的觀察相結(jié)合，提供了對暗物質(zhì)分布的精確測量。

如果這些發(fā)現(xiàn)是正確的，它們可能會有一些廣泛的影響。這可能意味著，大尺度上的引力與人們想象的不同，正如愛因斯坦廣義相對論所預(yù)測的那樣，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，人們對暗能量的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因為暗能量被認(rèn)為是造成宇宙加速膨脹的“幕后推手”。

但是，這一觀測結(jié)果目前仍存爭議。馮磊認(rèn)為，雖然這個項目持續(xù)7年觀測了3000萬個星系，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)進行對比，才能更好地確定宇宙的均勻性。

由于這一觀測結(jié)果來得極其突然，全球的天文學(xué)家在震驚之余還沒有開展相應(yīng)的研究。“如果這一結(jié)果被證明是對的，那么我們就要反過來思考廣義相對論和宇宙學(xué)參數(shù)是否需要修改。”馮磊告訴記者，這可能會顛覆人們對宇宙演化的理解。(記者張曄)

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