科學(xué)探索 | 給宇宙稱重：兩個不同的結(jié)果，可能導(dǎo)致宇宙模型崩潰

圖片來源：ESA/Hubble, NASA and RELICS
兩種完全不同的“稱量”宇宙的方法，卻產(chǎn)生了截然不同的結(jié)果。如果這種差異不是由測量誤差導(dǎo)致的，那么物理學(xué)家可能不得不修改目前對宇宙的最佳描述——標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。
德國波鴻魯爾大學(xué)（Ruhr University Bochum）的天文學(xué)家昂德里克·希爾德布蘭特（Hendrik Hildebrandt）說：“如果這真的預(yù)示著標(biāo)準(zhǔn)模型的崩潰，那將具有潛在的開創(chuàng)性意義。”
對于哈勃常數(shù)（代表了當(dāng)今宇宙的膨脹速度），通過兩種不同測量方法得到的數(shù)值始終存在分歧，也引發(fā)了人們對標(biāo)準(zhǔn)模型正確性的擔(dān)憂。哈勃常數(shù)測量值的分歧，也被稱作哈勃爭議（Hubble tension）。
而現(xiàn)在，在宇宙學(xué)中，另一個影響深遠(yuǎn)的分歧出現(xiàn)了，這就是sigma-8爭議。宇宙中的物質(zhì)不是均勻分布的，而sigma-8反映了與宇宙中物質(zhì)的密度，以及物質(zhì)聚集的程度。
如何測量宇宙質(zhì)量
為了計(jì)算sigma-8，希爾德布蘭特和同事轉(zhuǎn)而研究了一種叫作弱引力透鏡的效應(yīng)。這種效應(yīng)指的是，由于星系和地球之間也分布著少量物質(zhì)，因而來自遙遠(yuǎn)星系的光在抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡的過程中，會受到這些物質(zhì)的引力作用，輕微地彎曲。
當(dāng)然，由此產(chǎn)生的扭曲程度非常微弱，幾乎不會改變單個星系的形狀。但是如果你計(jì)算一定范圍內(nèi)數(shù)以萬計(jì)星系的形狀的平均值，就會發(fā)現(xiàn)微弱的透鏡效應(yīng)。假設(shè)星系相對地球的方向是隨機(jī)的，那么在不考慮弱透鏡效應(yīng)的情況下，它們的平均形狀應(yīng)該是近圓形。但由于這種效應(yīng)導(dǎo)致的輕微扭曲，星系的平均形狀會變成橢圓。
天文學(xué)家利用這樣的信號，估計(jì)了我們與各個星系密集區(qū)域之間的物質(zhì)（包括普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）的含量和分布。換句話說，他們設(shè)法測量了宇宙中物質(zhì)的密度。
但要做到這一點(diǎn)，還需要另一個信息：我們到各星系的距離。通常，天文學(xué)家通過光譜紅移來計(jì)算這一距離。紅移是星系發(fā)出的光的波長向光譜紅光部分的偏移。紅移越大，該天體距離我們越遠(yuǎn)。
然而，在處理上百萬個星系時，用光譜紅移逐一測量單個星系距離的方法效率極低。因此希爾德布蘭特的研究小組轉(zhuǎn)而選擇了一種叫作測光紅移的方法，即在從可見光到近紅外波段的不同波段中，分別拍攝同一天區(qū)的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來估計(jì)每個星系的紅移。“這樣得出的結(jié)果不如傳統(tǒng)的光譜紅移方法準(zhǔn)確，”希爾德布蘭特說，“但考慮到使用望遠(yuǎn)鏡的時間，它的效率要高得多?！?br> 在整個分析過程中，研究小組在9個波段（4個可見光波段和5個近紅外波段）進(jìn)行觀測，獲得了數(shù)百平方度天區(qū)（滿月的直徑約為0.5度）范圍的高分辨率圖像。他們使用兩臺小型望遠(yuǎn)鏡對大約1500萬個星系進(jìn)行了觀測。他們使用歐洲南方天文臺在智利帕瑞納(Paranal)天文臺的兩個巡天項(xiàng)目對大約1500萬個星系進(jìn)行了觀測。這兩個項(xiàng)目分別是千平方度巡天(Kilo-Degree Survey，KiDS)和VISTA千平方度紅外星系巡天（VIKING）。
VIKING可以在近紅外波段對同一片天區(qū)進(jìn)行多次觀測，從而對KiDS的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。一個星系距離我們越遠(yuǎn)，它離我們而去的速度就越快，星系發(fā)出的光的紅移就越明顯，也就是說更多的光線會從可見光波段進(jìn)入紅外波段，因此僅僅在可見光波段進(jìn)行觀測是不夠的。而紅外測量能夠捕獲更多光線，從而幫助研究人員更好地估算它們的測光紅移。
為了確保測光紅移的計(jì)算盡可能準(zhǔn)確，研究者還使用了帕瑞納的8米甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope）和夏威夷冒納凱亞的10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck telescopes）對幾個星系的光譜紅移測量值進(jìn)行了校準(zhǔn)。
美國約翰·霍普金斯大學(xué)的天體物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）對KiDS研究人員的努力表示了認(rèn)可。他說：“他們的最新結(jié)果使用了紅外數(shù)據(jù)，這或?qū)椭覀兏玫乩斫馔哥R效應(yīng)，并獲得更可靠的測光紅移結(jié)果。”
結(jié)果帶來的爭議
天文學(xué)家利用覆蓋了大約350平方度天區(qū)的綜合數(shù)據(jù)，估計(jì)出了sigma-8的數(shù)值。然而問題在于，這個數(shù)值與根據(jù)普朗克衛(wèi)星對宇宙微波背景（CMB）的觀測值計(jì)算的sigma-8值存在差異。CMB是宇宙中最早的可觀測光，在大爆炸后約38萬年發(fā)出。普朗克衛(wèi)星逐點(diǎn)繪制了CMB溫度和偏振的變化圖。這樣，宇宙學(xué)家就可以利用這張圖來計(jì)算早期宇宙的sigma-8值。利用宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型（該模型指出，宇宙由大約5%的普通物質(zhì)、27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量組成），他們可以推演出經(jīng)歷了130多億年的演化后，宇宙當(dāng)前的 sigma-8值。
問題來了：希爾德布蘭特根據(jù)弱透鏡效應(yīng)估計(jì)的sigma-8約為0.74，而普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供的值約為0.81。有一種可能性是，這種差異源自統(tǒng)計(jì)波動，即數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的隨機(jī)噪點(diǎn)。但希爾德布蘭特說，sigma-8爭議源自統(tǒng)計(jì)波動的概率“大約只有1%”，因此“統(tǒng)計(jì)波動不是什么大問題?！?br> 至少目前來說，還存在其他可能的解釋。這種差異也可能源自于一兩組計(jì)算中隱藏的系統(tǒng)誤差。如果研究人員排查出任何此類誤差，這個問題就會消失。
或者，在那之后，爭議仍然存在，就像哈勃爭議一樣。隨著天文測量變得越來越精確，哈勃爭議的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性變得越來越大，這甚至讓一些理論學(xué)家憂慮到失眠。“我們的sigma-8偏差也可能會出現(xiàn)相似的情況，”希爾德布蘭特說，“但目前我們還不確定?！?br> 里斯領(lǐng)導(dǎo)了一個估算哈勃常數(shù)的研究組，他的團(tuán)隊(duì)通過測量附近宇宙中的超新星來估算哈勃常數(shù)。他將sigma-8張力比作“哈勃爭議的姊妹”。目前，研究者認(rèn)為哈勃爭議源自誤差的概率只有不到350萬分之一，所以它具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與過去幾年間對哈勃爭議的認(rèn)識過程類似，目前認(rèn)為Sigma-8爭議有百分之一的概率源自統(tǒng)計(jì)偏差。里斯說：“所以Sigma-8爭議沒有那么顯著，但仍然值得關(guān)注?！?br> 如果sigma-8爭議的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性上升到了與哈勃爭議相同的水平，那么重新評估宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型將變得非常必要。到那時，宇宙學(xué)家可能需要建立新的宇宙學(xué)物理模型，使普朗克衛(wèi)星的估計(jì)值與目前的直接測量值一致。
如果未來真的需要“新物理學(xué)”來修正標(biāo)準(zhǔn)模型，那么它可能需要同時或分別改變暗能量或暗物質(zhì)的含量和性質(zhì)，并調(diào)整它們之間、它們與普通物質(zhì)的作用方式，甚至其他更離奇的修正?！澳壳耙恍┰噲D平息哈勃爭議的修正理論，反而加劇了sigma-8爭議，而有些理論則契合得更好，”里斯說。
希爾德布蘭特也認(rèn)為目前沒有明確的解決辦法。“如果有一個不錯的模型，也許人們會采納，”他說，“但目前，我認(rèn)為這樣的模型還沒有出現(xiàn)。我們觀測者需要提高對sigma-8爭議的重視，或者干脆證明它是假的?！?br> 撰文：阿尼爾·阿南塔薩米（Anil Ananthaswamy）
翻譯：賀白
編輯：張二七
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/


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