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是什么让宇宙看起来“不均一”

时间: 2018年09月11日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
根据宇宙学原理,尽管宇宙中存在大量星系、星系团等结构,但在10亿光年的大尺度上,宇宙应该是均一的。然而,陆续涌现的天文学观测却向其提出了挑战。

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巨型结构挑战宇宙学原理?

地球在宇宙中的位置并不特殊。这一观点经哥白尼提出后,已经成了天文学家的基本共识。此后,天文学家该原理的适用范围延伸至整个宇宙:宇宙中没有任何特殊的位置,这也被称作宇宙学原理。在恒星系统、星系和星系团层面上或许有一些不均匀的地方,但是在更大的尺度上,宇宙应该是均一的。宇宙中不应该有星系构成的巨大的墙,不应该有空荡荡的地方,也不应该出现巨大的结构。

因此,最近涌现出的发现搞得天文学家们有点紧张。但是解决方法也同样充满争议。有研究者宣称这些巨大的结构是另一个维度的投影。如果他是对的,我们将能够首次证实,在我们的宇宙之外还有另一个宇宙存在。而且由于这些巨大的结构并不是我们宇宙中的实体,宇宙学原理也依然成立。

宇宙中存在特殊区域的想法是为现代宇宙学所不容的。英国朴茨茅斯大学宇宙学家Seshadri Nadathur说:“自文艺复兴以来,我们所有的工作都是反对这一想法的。”这一观点也使得用广义相对论来解释宇宙演化的任务变得更加复杂。“爱因斯坦方程在宇宙均一的前提下好解多了。”Nadathur说。但至少目前,宇宙学原理还仅仅是一种猜想。没有任何证据表明这是对的,而已有的证据似乎越来越多地反对这一观点。

就拿那个20亿光年宽的巨型空洞来说,它的发现者之一,西班牙巴塞罗那高能物理研究所的András Kovács说:“那部分宇宙的星系数目比平均值要少10000个。”根据最新的数据,天文学家相信宇宙学原理在大约十亿光年的尺度下一定是对的。在这一尺度下,任意给定区域的物质多少都是相近的。这个巨洞的宽度几乎超过这一界限一倍,看起来十分显眼。Kovács团队称这个洞为超巨洞,并相信这个洞有可能解释宇宙微波背景辐射中巨大的冷斑,一个困扰天文学家十几年的问题。

超巨洞还不算是最大的问题。2012年,英国中央兰开夏大学的Roger Clowes团队宣布发现了一个40亿光年长的巨大线状结构,比超巨洞还要大一倍多。“我们当时想‘这是什么?’很明显那是非常不寻常的东西。”Clowes说。这一次并不是空间中有一个空洞,而是有的位置异常拥挤。这一结构被称作巨型超大类星体群,包含73个类星体(类星体是指非常遥远,极度明亮的活动星系核)。天文学家在20世纪80年代早期就知道类星体总是聚在一起,但是尺度如此巨大的类星体群还前所未有。

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图中的黑色圆圈为观测到的巨型超大类星体群。

2015年,匈牙利的天文学研究团队发现了一个巨大的伽马射线暴(GRB)群,伽马射线暴即为由遥远星系发出,能量极高、寿命短暂的能量爆发。发射GRB的星系看起来组成了一个直径达56亿光年的圆环,占据了6%的可观测宇宙。“我们真的没有预料到会发现这么大的结构,”来自匈牙利康科利天文台,领导这项研究的Lajos Balázs说。这个尺度比宇宙学原理预言的宇宙应该呈现均一结构的尺度还要大五倍。

宇宙学原理在我们对于宇宙的理解中占据了非常基本的位置,所以这样明显的反例让天文学家和宇宙学家都很不舒服,甚至这些现象的发现者也不例外。谈到构成GRB大环的强烈闪光时,有人认为其周围可能存在其他星系,这些星系的光因为没有GRB而显得没那么亮。这就像一间黑屋子中均匀分布着电灯泡,而如果只有一部分是亮的,你就有可能对灯泡的分布得出错误的结论。“这个大环并不一定违反了宇宙学原理。” Balázs说。

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图片来源:ESO/M. Kornmesser

重合的宇宙膜

巨型超大类星体群同样引起了激烈的争辩。“我认为这根本不是什么结构。”Nadathur说。2013年,他发表了一篇研究Clowes团队数据分析算法的论文,计算了随机分布的类星体在这种算法下形成结构的可能。他说:“即使什么都没有,用他们的算法也很可能看到某些结构。”但是类星体群的存在也并未因此被直接否认。

Nadathur认为超巨洞和类星体群一样,都是可以和宇宙学原理兼容的。他说:“该原理并没有说不能出现涨落,只是说在大尺度上宇宙应该是均一的。”简单地说,就是超巨洞这样的结构并不是不可能出现,只是不会有太多。

但是萨斯喀彻温大学理论物理学家Rainer Dick认为,这种忽视宇宙巨型结构的做法是不对的。事实上,他认为接受这些结构才能更好地维护宇宙学原理。相反,这是其他维度侵入我们维度的第一手证据,我们原本平滑均一的宇宙正是因为其他维度的入侵才有了这些异常的现象。

这个提议似乎胆大包天,但是它是基于坚实的理论基础提出的。一方面,我们所处维度之外的维度并不是什么新事物。几十年来,许多理论学家都将额外维度的存在视为统一广义相对论和量子力学的最大希望。这两个理论共同构成了20世纪物理学的基础,前者处理的是尺度很大的物体,后者处理尺度很小的物体。如果将这两种完全不同的理论结合,就会得到足以囊括宇宙万物的万有理论。

由弦论延伸出来的M理论是万有理论的候选者之一,它认为我们生活在11维的宇宙中,其中有7个维度都紧紧卷曲起来,以至于我们无法看到。M理论十分优雅,数学上也颇具吸引力,有许多影响力很大的支持者。但是M理论有一个巨大缺陷:没有办法做出准确的预测,所以也就没有办法证明它是对的。Dick的工作将弦论拓展为了膜理论,而膜理论或许可以做出预言,也可能解决宇宙学原理的问题。

膜理论的核心思想是,我们的宇宙是一层四维的膜,这层膜漂浮在额外的维度中,这些额外维度里也有许许多多相似的膜。这样的想法和我们已有的引力理论并不矛盾,Dick说,因为“你可以加入无限多的额外维度,但最终仍然可以得到广义相对论”。

尽管其余的膜因为占据额外的维度而无法直接观测,但膜理论认为我们或许可以观测到相邻的膜和我们的膜重合时产生的效应。

那么这对于宇宙学原理的问题有什么帮助呢?为了测量遥远物体的距离,天文学家利用了红移效应。他们利用分光计将物体发出的光分解得到光谱线。任何远离我们的物体的光波波长,都会由于宇宙膨胀而拉长,变得更红,所以光谱线也就会向光谱的红端移动。物体的距离越远,远离我们的速度就越快,谱线就移动得越多。如果天文学家看到许多物体都有同样的红移,那么就会将它们认定为某种结构,比如GRB大环和巨型超大类星体群。

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但是,在膜交界的区域,我们对红移的测量就有可能出现偏差。在这些情况下,一层膜的光子会对另一层膜的带电粒子施加力的作用,这种现象被Dick称为膜串扰。他说:“这将改变重合区域氢原子能级间的距离。”在这些能级间运动的电子释放或吸收光子,产生谱线,我们又依靠这些谱线确定它们和地球的距离。

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但是如果膜串扰使能级间距缩紧,产生光子的波长就会稍稍变长,这会产生和宇宙膨胀无关的红移。如果你没能考虑到这一点,认为红移都是由距离产生的,那你计算得到的距离实际上是偏大的,这样一来,一些原本有物体的地方就什么都看不到了。

重新认识宇宙?

如果这个模型是对的,膜重叠的区域将会产生红移相同、看起来堆在一起的物体,同时产生看起来没有物体的区域,那么这就会让我们认为原本均匀平滑的宇宙出现巨型结构和巨洞。这个理论可以同时解决类星体群、GRB大环和超巨洞三个问题,Dick说:“这些结构都和膜串扰的可能结果吻合。”

当然,事情一般不会这么简单。纽约州立大学科特兰分校的Moataz Emam说:“要让这一切发生需要很多条件,有的条件看起来很难满足。”Emam同时指出,Dick的理论中一些关于引力的假设以前曾经遭到猛烈的批评,尤其是一些研究弦论的理论工作者认为其与计算结果不符。“但是他的模型确实是可以检验的。”他说。

Emam称,观测天空中天体密集区域和稀疏区域相连的地方,可能会提供必要的证据。考虑到所有巨型结构的红移偏差都是相同的,膜重合的理论可能确实说得通。

斯隆数字巡天(SDSS)提供了有史以来最详尽的宇宙三维图像,在它的帮助下,Dick正计划搜索数据库来得到支持自己理论的数据。他说:“这将会成为平行宇宙存在的坚实证据。”这样的发现不但会解决天文学观测中最复杂的问题,也会给弦论一个实验基础。

但是他消除宇宙中最大的物体的要求,或许会导致新的困难出现。比如我们宇宙之外的膜,将挑战我们对自身在宇宙中的地位的认知,并使宇宙均一性的概念变得毫无意义。在包含有很多膜的广阔宇宙中,宇宙学原理或许根本不值得保留。

撰文 | Colin Stuart

翻译 | 刘博尧

审校 | 吴非