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挑战宇宙学支柱?新研究:宇宙各向膨胀速率可能不均

2024-11-24 205


日出日落、四季交替,我们观察著这世界并努力摸索宇宙的运转规则,其中一个支撑宇宙学的基础理论认为,宇宙在各个方向应该都以相同的速度膨胀。然而最近新的 X 射线观察数据表明,这个关键大前提可能出现了裂缝。

在各种科学实验与观测资料的支持下,基础物理学描述了时间、空间、我们的宇宙如何运转等概念。天文学家普遍认为,宇宙在大爆炸发生后不到 1 秒钟的时间内瞬间膨胀绵延数十亿光年,可以拿烘焙葡萄干面包来比喻,随着整个面包(代表空间)在烘焙过程中膨胀,葡萄干(代表星系、星系团之类的物体)也彼此远离。

2013 年时,欧洲太空总署(ESA)公布普朗克卫星制作的宇宙微波背景(CMB)图,这种辐射的均匀分布支持了早期宇宙在大爆炸后往各个方向均匀扩展的假设,即各向同性(isotropy),仅某些方向出现很小的温度变化,但整体来看,CMB 分布非常均匀;直到 138 亿年后的今天,宇宙也依然在扩展中,只是速度慢得多。

然而在当今宇宙,各向同性可能不再成立?来自德国波恩大学、美国哈佛大学的团队研究了当今宇宙 800 多个星系团,假如各向同性理论正确无误,那么各星系团的各特征应该相差无几;但实际上,最新研究结果出现了明显差异,与宇宙学中最基本的假设有所出入。

研究团队利用 XMM-牛顿卫星、钱卓拉 X 射线天文台、伦琴卫星(ROSAT)收集遍布星系团内的极热气体,接着与星系团的亮度进行比较,照理说,温度相同且距离我们差不多近的星系团,看起来应该差不多亮。

然而天文学家看到的却是:一些温度相似且具有相同特征的星系团,在某个方向观测的亮度却较弱、而另一方向观测的亮度则比预期中还要亮,两者差异高达 30%。

研究人员一开始设想,也许在观测路径上存在一些以前未检测到的气体尘埃云、吸收了一些 X 射线,以至于某个区域的星系团显得较暗?但是数据无法支持这个论点。

那有可能是星系团被其他星系团拉动、导致给人膨胀速率不同的错觉吗?研究人员表示,如果空间尺度小,或许能借此平淡解释带过,但新研究观测的星系团彼此距离最远可达 50 亿光年,我们不清楚星系团的引力拖曳影响力是否如此之大。

未参与研究的牛津大学物理学家 Subir Sarkar 认为,数据本身与期望值确实有明显偏差,如果再综合其他观察遥远红外星系、超新星的数据,看起来宇宙有可能真的是各向异性(anisotropy,也称非均向性)——并非均匀膨胀,而是不同方向有不同的膨胀速率。

假如膨胀速率确实存在差异,或将引发人们重新思考宇宙运作的方式,比如暗能量。研究人员说,这种能量形式可能在某些区域更强、某些区域较弱,从而导致宇宙在不同地方以不同的速度膨胀。

新论文发表在《天文与天体物理学报》(Astronomy and Astrophysics),论文预印本可上《arXiv》网站阅览。

  • Surprise! The universe’s expansion rate may vary from place to place
  • The Universe Might Be Expanding Like a Lumpy Balloon
  • Parts of the universe may be expanding faster than others
  • Rethinking cosmology: Universe expansion may not be uniform (Update)
  • New observations show that the Universe might not be expanding at the same rate in all directions

(首图来源:NASA)

2020-04-13 01:06:00

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