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2020-09-21 21:00
一个新的宇宙学争议

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky,题图来自:视觉中国



我们都知道,宇宙正在膨胀。它的膨胀速率是由一个重要的常数给出的,那就是哈勃常数。自哈勃(Edwin Hubble)在近100年前提出以来,关于哈勃常数的精确数值就争议不断。


如今,宇宙学虽然已经步入了精确宇宙学的时代,但天文学家仍旧无法对其数值达成一致的意见,因为不同(但同样精确)的方法会给出两个不同的数值。一种解释这种差异的可能性,是已建立的宇宙学标准模型(即ΛCDM)或许有“裂缝”。根据ΛCDM,宇宙由5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量组成。


 详见:《9%的差异之谜》


为了尽快破解哈勃常数值的差异之谜,目前天文学家已经在使用不同的方法(包括引力波)开始测量宇宙的膨胀率。


然而,一波未平一波又起。


由德国波鸿鲁尔大学的天文学家希尔德布兰特(Hendrik Hildebrandt)所带领的一个宇宙学团队,一直致力于理解宇宙中包含了多少质量,以及分析这些质量是均匀的分布在空间中,还是会聚集成簇。


在最新的一项研究中,希尔德布兰特的团队通过弱引力透镜,分析了由天文项目Kilo-Degree Survey(KiDS)收集到的约3100万个星系之后,发现了一个新的差异:宇宙比ΛCDM预测的更加均匀。宇宙中的星系、其他和其他物质并没有像它们预期中的那样聚集在一起。


为了确定宇宙中物质的聚集程度,研究人员通过帕拉纳尔天文台的KiDS数据,分析了数千万个星系的分布。在所有KiDS数据中,最远的距离我们有100亿光年之远,这意味着望远镜接收到的光,其实是星系在宇宙还不到现在年龄一半的时候就发出的。图中黄色表示宇宙中密度较大的区域,粉色表示密度较低的区域。图片来源:B. GIBLIN, K. KUIJKEN KIDS TEAM (SKY SURVEY); Y. BELETSKY/ESO


更确切地说,这一争议被称为Sigma-8争议,这一参数反映了宇宙中物质的密度,以及物质聚集的程度。然而,两种完全不同的方法却给出了不一致的值。


 Sigma-8(S₈)参数的定义。



宇宙学家会应用引力透镜效应来给天体称重。


引力透镜效应指的是,当一个遥远星系发出的光线经过介于地球和星系之间的大质量天体(如星系团)时,光线会因为大质量天体的巨大引力而发生偏折;中间天体的质量越大,光束的偏折就越大。因此,当一个星系所发出的光因引力透镜效应而发生偏折时,天文学家观测到的星系位置其实是有别于它的实际位置的。如果能够测量到偏折,就能推算出天体的质量。


但要做到这一点,宇宙学家必须克服一些障碍。


除了我们可以看到是已经发生了位置移动的星系,而不知道它实际位置在哪里这一难题之外,研究人员还需要知道如何计算出发出光的星系、途中偏折了光线的物质与地球之间的距离,而这是很难的,因为我们只能看到天空的二维图像,很难估计天体在视线方向上离我们究竟有多远。


不过,对于这些难题,天文学家们并非完全无计可施。他们会对这样一个事实来加以应用,即有大质量天体造成的引力透镜效应,并不会像完美的透镜那样使光线发生偏折,而是会造成畸变,使得星系的形状发生改变。如果知道星系的原本形状,然后计算引力透镜效应下的星系形状与原本形状的偏差,就能判断畸变的程度。


天文学家会利用引力透镜效应来对遥远星系进行观测,从而确定宇宙的物质密度。来自这些星系的光在抵达地球的路上会经过大质量天体,比如包含大量暗物质的星系团,导致光发生偏转,使得从地球上看,星系的图像会出现畸变。图片来源:Agentur der RUB



但是通常情况下,当所涉及到的天体数量众多时,研究人员就无法将这种方法应用于每一个天体,而是要对大量星系进行平均计算,计算出它们的平均畸变,这被称为宇宙切变。利用统计学方法,研究人员确定了天空大范围内数千万个星系的畸变。在这些结果的基础之上,并在知道这些星系与地球的距离的前提下,物理学家就能得出光的偏折,以及使光发生偏折天体的质量。


在计算星系离我们多远时,天文学家会用到星系的颜色来确定它们的距离。我们知道,当来自遥远星系的光到达地球时,会向光谱中红色的部分偏移。宇宙学家会在不同波段下拍摄下星系的图像,例如分别在蓝光、绿光、红光,以及红外光范围内进行拍摄。然后,再分别确定星系在不同图像中的亮度。希尔德布兰特就是进行这类分析的专家,并将这种方法应用到了KiDS项目上。基于KiDS所收集的数据,研究人员计算出了宇宙中的物质密度和聚集趋势的综合值。


然而,希尔德布兰特等人利用的为引力透镜效应所求得的Sigma-8的数值,却与另一种测量方法所得到的结果截然不同。第二种方法来自于普朗克卫星测量的宇宙微波背景(CMB)。CMB是可观测的最古老的光,产生于大爆炸约38万年后,至今仍然遍布在空间各处。


 由普朗克卫星观测到的宇宙微波背景,图中不同颜色代表微小的温度涨落。图片来源:ESA & 普朗克合作组


宇宙学家通过CMB来计算早期宇宙Sigma-8的值,接着通过ΛCDM,他们可以推算出今天Sigma-8的值。这一方法给出的值为0.81,而通过宇宙切变得到的数值为0.76。



之所以会出现这一差异有几种可能性,或许是因为在计算中隐藏着统计误差,又或许是因为ΛCDM出了问题。


如果是后者,那么问题就严重了。ΛCDM是现有的对宇宙的最好描述,它是以爱因斯坦的广义相对论为基础而发展起来的,描述了宇宙的起源和演化。大量天文学研究都需要依赖于这个模型来对观测数据进行解释。


虽然现在就否定宇宙学的标准模型显然还为时过早,因为从统计上而言,KiDS的数据仍然有概率和普朗克卫星的数据重叠。不过在希尔德布兰特的研究中,他们尝试了用一些标准模型的替代模型来对数据进行解释,并找到了一个能解释这种数值差异的模型。


在替代模型中,标准模型中被用于描述了引力的爱因斯坦的宇宙常数被暗能量所取代。这种替代模型的特别之处就在于,它的暗能量会随着时间而变化。希尔德布兰特认为这或许是一个合理的假设,因为CMB起源于大爆炸不久之后的年轻宇宙,而引力透镜效应测量的是一个年长得多的宇宙,在这段时间里,宇宙中的暗能量可能发生了变化。


希尔德布兰特表示,要更好地这种差异,或许还需要以更高的精度来对数据进行全面评估,以此来确定宇宙的物质密度。如果更精确的测量仍不能解决这种差异,物理学家或许就需要更认真地考虑修改标准模型的方案。


参考来源:

https://news.rub.de/english/2020-04-28-cosmology-how-much-does-universe-weigh

http://kids.strw.leidenuniv.nl/pr_jul2020.php

https://arxiv.org/pdf/2007.15633.pdf

https://www.quantamagazine.org/a-new-cosmic-tension-the-universe-might-be-too-thin-20200908/

https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky                

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