宇宙张力

宇宙开始显得有些奇怪。几年来，宇宙学家一直对宇宙膨胀速度的差异感到困扰。他们知道它应该以早期宇宙的古老光为基础，但显然现代宇宙已经加快了速度——科学家可能忽略了宇宙的基本成分之一，或者这些成分是如何搅拌在一起的。

 

 

现在，可能正在形成所谓的宇宙学标准模型中的第二个裂缝。7月下旬，科学家宣布现代宇宙看起来也异常稀薄。星系、气体云和其他物质并没有像它们应该的那样聚集在一起。一些较早的研究提供了类似的提示，但是这种对七年数据的新分析代表了迄今最清晰的独立异常迹象。

 

加拿大滑铁卢大学的宇宙学家迈克尔·哈德森说：“如果我们要召开会议，那么所有的咖啡式讨论都将与这些结果有关。”

 

 

像大多数对当今宇宙大规模结构的测量一样，这项研究充满了技术难题。尽管不太可能，但结果有可能是偶然的。然而，一些研究人员想知道，越来越时髦的测量趋势是否可能预示着新宇宙剂的发现。

 

“我们已经有了暗物质和暗能量。” 哈德森说，“我希望我们不需要其他黑暗的东西。”

 

另一组警报

 

研究现代宇宙的困难之处在于它几乎是不可见的。天文学家在星系聚集成发光星团的地方瞥见了全局。但是他们仍然基本上无法感知将这些节点编织成巨大宇宙网的暗淡的气体。更糟糕的是，大多数人认为，这些星系和气体痕迹仅是坚固的无形“暗物质”框架上的装饰性金属丝，而暗物质构成了整个宇宙的大部分空间。

 

 

新的调查是迄今为止最精炼的技术，用于揭示看不见的技术。当来自遥远星系的光进入地球时，它穿过暗物质的原纤维和暗淡的气体云。这些厚点在引力的作用下拉动光线，使它们的路径弯曲。到遥远星系的光线到达地面望远镜时，它已经微妙地扭曲了-也许被挤压成一个夸张的椭圆形。然后，天文学家试图通过在广阔的天空中测量大量遥远星系形状的统计畸变来绘制看不见的暗物质的图。

 

在这项新的研究中，千平方度巡天（KiDS）的成员在距离最远100亿光年的距离内观测到约3100万个星系。然后，他们使用这些观测值来计算宇宙隐藏气体和暗物质的平均分布。他们发现的团块比已建立的被称为拉姆达（Lambda）冷暗物质或ΛCDM的宇宙学模型的预测薄了近10％。

 

 

从统计上讲，这种差异使得额外数据被淘汰的几率大约为1400分之一——远低于该领域的严格标准（170万分之一），但足以扭转局面。爱丁堡大学宇宙学家，KiDS成员马里卡·阿斯加里（Marika Asgari）说：“这种紧张局势目前至少令人着迷。”

 

更重要的是，其他独立的测量结果也证明了当代宇宙似乎太稀薄了。哈德森说：“这是另外一组警报。”

 

 

哈德森试图通过观察星系在宇宙流中的漂移来破译隐藏的宇宙。如果物质在细雾中完美地分布，那么宇宙的膨胀将以称为哈勃流的漂移运动将所有物体平稳地分开。但是宇宙充满了空洞和富含暗物质的超团。超级团的引力吸引了星系更近，而空隙让它们自由飞翔。通过测量超新星的“奇特速度”（它们从哈勃流动中转向多少），哈德森和他的合作者创建了自己的宇宙隐藏质量图。

 

他的第一个暗示是宇宙不够凝聚，出现在2015年，随后的奇特速度图也具有令人不安的平滑度。哈德森和他的合作者在7月份发表了研究成果，推断出一种异常的结块缺乏聚集现象，这种现象与KiDS发现的结块一样强。

 

 

此外，在过去八年中，至少有十几次使用不同技术的调查都发现，现在的宇宙至少稍微薄了些。每个研究仅具有一定的意义，但一些宇宙学家越来越怀疑，所有的测量都低于理论预测，而不是均匀地分散在它周围。

 

哈德森说：“当您开始在大量不同的数据集中看到相同的事物时，您会认为这确实在告诉您一些事情。”

 

 

矛盾异常

 

如果这是来自宇宙的消息，其含义仍不清楚。宇宙学的标准模型非常适合观察，以至于理论家不能随便添加新的内容。杜克大学研究宇宙膨胀率的宇宙学家丹尼尔·斯科尔尼奇（Daniel Scolnic）表示，对早期宇宙的最精确测量来自于普朗克（Planck）合作组织，该合作组织在2018年发布了最终结果。

 

 

但是普朗克关于宇宙膨胀率理论不是非常完美，多年来理论家一直在摸索着，寻找一种方法来解释意想不到的快速膨胀。

 

他们现在寻求完成两个矛盾的任务。为了解决宇宙膨胀的原始问题，他们需要一种现象，该现象会给宇宙带来额外的冲击。但是要解决新的异常现象，他们必须减弱使宇宙团块化的引力影响。RWTH亚琛大学理论宇宙学家，普朗克合作成员之一朱利安·莱斯古格斯（Julien Lesgourgues）说，当把这两个问题放在一起时，“为这两者找到一个解释就成了噩梦。”

 

例如，为了解释迅速膨胀，一些理论家曾尝试在早期宇宙中增加“暗辐射”。但是他们必须平衡这种额外的辐射和额外的物质，这将使宇宙变厚。因此，为了结束我们所看到的宇宙，他们必须发明各种黑暗成分之间的额外相互作用，以获得所需的薄度。

 

 

另一种可能性是，将宇宙凝聚在一起的暗物质转化为暗能量，从而将其驱散。或者，也许地球坐落在一个巨大的空隙中，扭曲我们的观察；或者这两个异常可能无关。"我没有看到任何令人信服的东西，"哈德森说，"但如果我是一个理论家，我现在会很兴奋。

 

一种或两种张力仍然可以通过更多数据消除。KiDS是目前正在进行的三项弱引力透镜调查之一，其次是智利的国际暗能量调查和日本的Subaru望远镜的Hyper Suprime-Cam。每个人扫描天空的不同区域，达到不同的深度。国际暗能量调查最新活动的结果将在未来几个月内发布，该结果覆盖的天空面积是KiDS的五倍。“每个人都在等待它，” 斯科尔尼奇说，“这是宇宙学的下一件大事。”

 

 

杜克大学（Duke University）的迈克尔·特罗塞尔（Michael Troxel）为“暗能量调查”（Dark Energy Survey）做弱引力透镜工作，他对KiDS团队将这项技术推向更高的精确度并覆盖了空前的天空表示赞赏。但他还强调，技术挑战之多使得很难深入了解一种度量。在数十亿光年的距离内，星系仅表现为像素，使它们的形状分析变得复杂。研究人员还需要知道每个星系有多远，他们对伴随这些距离的不确定性的处理可能会软化或夸大张力