给宇宙称重:两个不同的结果,可能导致宇宙模型崩溃
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给宇宙称重:两个不同的结果,可能导致宇宙模型崩溃

2020年06月03日 21:58:50
来源:环球科学杂志社

图片来源:ESA/Hubble, NASA and RELICS

作者 | 阿尼尔·阿南塔萨米(Anil Ananthaswamy)

翻译 | 贺白

宇宙有多重?或者说,宇宙中有多少物质呢?为了给宇宙称重,天文学家做出了许多尝试。然而两种完全不同的“称量”宇宙的方法,却得出了不同的结果。一些研究者并不在意,认为这只是某种计算误差导致的。然而另一部分研究者却忧心忡忡,他们担心这一差异会导致现有的标准宇宙模型崩溃。

两种完全不同的“称量”宇宙的方法,却产生了截然不同的结果。如果这种差异不是由测量误差导致的,那么物理学家可能不得不修改目前对宇宙的最佳描述——标准宇宙模型。

德国波鸿鲁尔大学(Ruhr University Bochum)的天文学家昂德里克·希尔德布兰特(Hendrik Hildebrandt)说:“如果这真的预示着标准模型的崩溃,那将具有潜在的开创性意义。”

对于哈勃常数(代表了当今宇宙的膨胀速度),通过两种不同测量方法得到的数值始终存在分歧,也引发了人们对标准模型正确性的担忧。哈勃常数测量值的分歧,也被称作哈勃争议(Hubble tension)。

而现在,在宇宙学中,另一个影响深远的分歧出现了,这就是sigma-8争议。宇宙中的物质不是均匀分布的,而sigma-8反映了与宇宙中物质的密度,以及物质聚集的程度。

如何测量宇宙质量

为了计算sigma-8,希尔德布兰特和同事转而研究了一种叫作弱引力透镜的效应。这种效应指的是,由于星系和地球之间也分布着少量物质,因而来自遥远星系的光在抵达望远镜的过程中,会受到这些物质的引力作用,轻微地弯曲

当然,由此产生的扭曲程度非常微弱,几乎不会改变单个星系的形状。但是如果你计算一定范围内数以万计星系的形状的平均值,就会发现微弱的透镜效应。假设星系相对地球的方向是随机的,那么在不考虑弱透镜效应的情况下,它们的平均形状应该是近圆形。但由于这种效应导致的轻微扭曲,星系的平均形状会变成椭圆。

天文学家利用这样的信号,估计了我们与各个星系密集区域之间的物质(包括普通物质和暗物质)的含量和分布。换句话说,他们设法测量了宇宙中物质的密度。

但要做到这一点,还需要另一个信息:我们到各星系的距离。通常,天文学家通过光谱红移来计算这一距离。红移是星系发出的光的波长向光谱红光部分的偏移。红移越大,该天体距离我们越远。

然而,在处理上百万个星系时,用光谱红移逐一测量单个星系距离的方法效率极低。因此希尔德布兰特的研究小组转而选择了一种叫作测光红移的方法,即在从可见光到近红外波段的不同波段中,分别拍摄同一天区的多幅图像。研究人员利用这些图像来估计每个星系的红移。“这样得出的结果不如传统的光谱红移方法准确,”希尔德布兰特说,“但考虑到使用望远镜的时间,它的效率要高得多。”

在整个分析过程中,研究小组在9个波段(4个可见光波段和5个近红外波段)进行观测,获得了数百平方度天区(满月的直径约为0.5度)范围的高分辨率图像。他们使用两台小型望远镜对大约1500万个星系进行了观测。他们使用欧洲南方天文台在智利帕瑞纳(Paranal)天文台的两个巡天项目对大约1500万个星系进行了观测。这两个项目分别是千平方度巡天(Kilo-Degree Survey,KiDS)和VISTA千平方度红外星系巡天(VIKING)。

VIKING可以在近红外波段对同一片天区进行多次观测,从而对KiDS的数据进行补充。一个星系距离我们越远,它离我们而去的速度就越快,星系发出的光的红移就越明显,也就是说更多的光线会从可见光波段进入红外波段,因此仅仅在可见光波段进行观测是不够的。而红外测量能够捕获更多光线,从而帮助研究人员更好地估算它们的测光红移。

为了确保测光红移的计算尽可能准确,研究者还使用了帕瑞纳的8米甚大望远镜(Very Large Telescope)和夏威夷冒纳凯亚的10米凯克望远镜(Keck telescopes)对几个星系的光谱红移测量值进行了校准。

宇宙测距概念图(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

美国约翰·霍普金斯大学的天体物理学家、诺贝尔奖获得者亚当·里斯(Adam Riess)对KiDS研究人员的努力表示了认可。他说:“他们的最新结果使用了红外数据,这或将帮助我们更好地理解透镜效应,并获得更可靠的测光红移结果。”

结果带来的争议

天文学家利用覆盖了大约350平方度天区的综合数据,估计出了sigma-8的数值。然而问题在于,这个数值与根据普朗克卫星对宇宙微波背景(CMB)的观测值计算的sigma-8值存在差异。CMB是宇宙中最早的可观测光,在大爆炸后约38万年发出。普朗克卫星逐点绘制了CMB温度和偏振的变化图。这样,宇宙学家就可以利用这张图来计算早期宇宙的sigma-8值。利用宇宙标准模型(该模型指出,宇宙由大约5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量组成),他们可以推演出经历了130多亿年的演化后,宇宙当前的 sigma-8值。

问题来了:希尔德布兰特根据弱透镜效应估计的sigma-8约为0.74,而普朗克卫星数据提供的值约为0.81。有一种可能性是,这种差异源自统计波动,即数据中出现的随机噪点。但希尔德布兰特说,sigma-8争议源自统计波动的概率“大约只有1%”,因此“统计波动不是什么大问题。”

至少目前来说,还存在其他可能的解释。这种差异也可能源自于一两组计算中隐藏的系统误差。如果研究人员排查出任何此类误差,这个问题就会消失。

或者,在那之后,争议仍然存在,就像哈勃争议一样。随着天文测量变得越来越精确,哈勃争议的统计学显著性变得越来越大,这甚至让一些理论学家忧虑到失眠。“我们的sigma-8偏差也可能会出现相似的情况,”希尔德布兰特说,“但目前我们还不确定。”

里斯领导了一个估算哈勃常数的研究组,他的团队通过测量附近宇宙中的超新星来估算哈勃常数。他将sigma-8张力比作“哈勃争议的姊妹”。目前,研究者认为哈勃争议源自误差的概率只有不到350万分之一,所以它具有统计学意义。与过去几年间对哈勃争议的认识过程类似,目前认为Sigma-8争议有百分之一的概率源自统计偏差。里斯说:“所以Sigma-8争议没有那么显著,但仍然值得关注。

如果sigma-8争议的统计学显著性上升到了与哈勃争议相同的水平,那么重新评估宇宙标准模型将变得非常必要。到那时,宇宙学家可能需要建立新的宇宙学物理模型,使普朗克卫星的估计值与目前的直接测量值一致。

如果未来真的需要“新物理学”来修正标准模型,那么它可能需要同时或分别改变暗能量或暗物质的含量和性质,并调整它们之间、它们与普通物质的作用方式,甚至其他更离奇的修正。“目前一些试图平息哈勃争议的修正理论,反而加剧了sigma-8争议,而有些理论则契合得更好,”里斯说。

希尔德布兰特也认为目前没有明确的解决办法。“如果有一个不错的模型,也许人们会采纳,”他说,“但目前,我认为这样的模型还没有出现。我们观测者需要提高对sigma-8争议的重视,或者干脆证明它是假的。”