宇宙中的天體(ti) 分布到底是均勻的還是不均勻的? 科學家一直在尋找答案。

過去，在愛因斯坦廣義(yi) 相對論的理論框架下，根據宇宙學標準模型預測，科學家認為(wei) 宇宙早期經曆了一個(ge) 被稱為(wei) “暴脹”的急速膨脹階段，這一階段的量子漲落造成了宇宙的密度漲落。隨著宇宙的演化，漲落越來越大，宇宙也就慢慢地變得不那麽(me) 均勻了。

近日，據國外媒體(ti) 報道，經過為(wei) 期7年的千度調查(KiDS)，科學家利用位於(yu) 智利的歐洲南方天文台甚大望遠鏡(VLT)，觀測了距離地球100億(yi) 光年的宇宙中超過3000萬(wan) 個(ge) 星係。結果顯示，宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。

宇宙均勻性是什麽(me) ?科學家又是怎樣計算出整個(ge) 宇宙的均勻性?此次觀測結果比模型預測高出10%意味著什麽(me) ?

技術進步使均勻性驗證成可能

目前，用來描述宇宙大爆炸和宇宙進化的標準模型為(wei) 弗裏德曼模型，其理論基礎是愛因斯坦於(yu) 1915年發表的廣義(yi) 相對論。

廣義(yi) 相對論實質上是關(guan) 於(yu) 引力的理論。1922年，俄國物理學家亞(ya) 曆山大·弗裏德曼將廣義(yi) 相對論應用於(yu) 整個(ge) 宇宙，建立了第一個(ge) 宇宙模型。

也就是說，愛因斯坦的廣義(yi) 相對論和弗裏德曼最初提出的宇宙模型，演化成為(wei) 一個(ge) 共同的假設：宇宙是均勻和各向同性的。這就意味著，宇宙的均勻性在任何位置、任何方向上都應該是一樣的。這一假設是現代宇宙學的基礎，即宇宙學原理。這一原理是否正確最終需要觀測驗證，綜合星係計數、射電源計數和微波背景輻射等各種觀測結果，這一原理的正確性是有保證的。

然而，當我們(men) 將目光投向宇宙時，看到的卻是另一幅景象：億(yi) 萬(wan) 顆恒星組成了星係，星係組成星係團，星係團又組成超星係團……甚至還有一個(ge) 個(ge) 星係組成的盤根錯節的星係“鏈”。這樣看來，宇宙到底是均勻的還不均勻的呢?

“如果把宇宙分成一個(ge) 個(ge) 大塊，每個(ge) 大塊的密度是相對均勻的。但是每個(ge) 大塊內(nei) 的物質又有不同的結構，有的區域物質密度非常大，我們(men) 稱之為(wei) 核;有的區域密度非常小，我們(men) 稱之為(wei) 空洞。核與(yu) 核之間還通過絲(si) 狀物質分布結構相連接。”中國科學院紫金山天文台副研究員馮(feng) 磊告訴科技日報記者，“宇宙的物質分布就像是平衡態，各種天體(ti) 結構就像是平衡態的漲落。”

科學家認為(wei) ，當初做出這一假設有兩(liang) 個(ge) 原因：一是從(cong) 實用的角度考慮，因為(wei) 用來描述宇宙的方程太複雜了，如果宇宙不是均勻的，求起解來非常困難，也就無法直觀地描述所觀測的各類天體(ti) ;二是由於(yu) 觀測手段的匱乏，當時的科技水平遠遠無法支撐人類對遙遠宇宙的探索，沒有人知道宇宙在大尺度結構上是什麽(me) 樣子的。這樣一來，把宇宙設想成最簡單的形式也就合情合理了。

此前人們(men) 沒有能力從(cong) 觀測上對這一假設進行驗證。但隨著觀測技術的進步，我們(men) 能看到的宇宙區域越來越廣，終於(yu) 可以對其進行驗證。

均勻與(yu) 否和觀測尺度有關(guan)

也許未來的某一天，人類可以飛出太陽係，飛向距離太陽係最近的鄰居——半人馬座，來一趟說走就走的旅行。

但是，作為(wei) 一名太空旅客，你可能會(hui) 感到異常乏味，覺得這次旅遊是一個(ge) 很糟糕的決(jue) 定，盡管兩(liang) 地相距僅(jin) 有4.2光年，旅途中大部分時間都見不到一點物質的影子。

從(cong) 科學上理解，這表示在相對較小的尺度範圍內(nei) 宇宙並非均勻分布。

那麽(me) ，在大尺度範圍內(nei) 宇宙是否就一定是均勻的呢?許多科學家都認為(wei) ，宇宙就像是海洋，從(cong) 近處看波浪迭起，但從(cong) 高空看，卻光滑如鏡。

但是在20世紀80年代，人們(men) 通過大範圍的星係紅移巡天觀測發現：宇宙的均勻性與(yu) 尺度有直接關(guan) 係，即使從(cong) 上億(yi) 光年的尺度上看，宇宙空間裏星係都並非均勻分布，而是呈現出許多空洞和纖維狀的結構，隻有在幾十億(yi) 光年的尺度上星係分布才變得均勻。

“在星係與(yu) 星係之間，宇宙中的可見物質遠遠不足以把星係連成一片，構成星係團，如果不是存在一種神秘而不可見的物質，星係團早就分崩離析了。”馮(feng) 磊告訴科技日報記者，科學家把這種看不見的神秘物質稱為(wei) 暗物質。宇宙由天體(ti) 、暗物質、暗能量組成，其中暗物質和暗能量占宇宙的95%，許多看起來空無一物的宇宙空間中卻是“暗”流湧動。我們(men) 通常把普通物質、冷暗物質和宇宙學常數組成的加速膨脹宇宙學模型稱為(wei) 標準宇宙模型。

總之，盡管從(cong) 某一角度來說，宇宙是不均勻的，但是在大尺度上，宇宙的物質分布是均勻的，標準宇宙模型還可以繼續用下去。

或將改寫(xie) 經典宇宙學理論

宇宙的均勻性其實並非一成不變。

宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測表明，宇宙在38萬(wan) 歲的時候，有的地方溫度高，有的地方溫度低，這種溫度的漲落與(yu) 平均溫度的比值大約是1/100000。“我們(men) 也可以把溫度的漲落看成光子密度的漲落，可以作為(wei) 宇宙均勻性的輸入初始值。”馮(feng) 磊說道。

但是，隨著宇宙的“成長”，密度的漲落會(hui) 慢慢地變大。密度較大的物質會(hui) 通過引力“襲擊”周圍區域，把其他物質吸引過來，就像滾雪球一樣越來越大。

這就帶來一個(ge) 問題，宇宙的均勻性會(hui) 慢慢偏離初始值，變得越來越不均勻。這一過程是精確可算的，根據測量結果，還可以檢驗標準宇宙模型的準確性。

此次千度調查項目(KiDS)的觀測結果顯示，宇宙的均勻性比宇宙學標準模型預測的要高出近10%。也就意味著，標準宇宙模型預測的結果“略顯誇張”。

據悉，這項觀測采用的是弱引力透鏡方法。這種方法通過測量光經過天體(ti) 時傳(chuan) 播路徑的彎曲來推算宇宙的物質分布。這與(yu) 另一項名為(wei) 重子振蕩光譜調查(BOSS)的單獨研究對星係群的觀察相結合，提供了對暗物質分布的精確測量。

如果這些發現是正確的，它們(men) 可能會(hui) 有一些廣泛的影響。這可能意味著，大尺度上的引力與(yu) 人們(men) 想象的不同，正如愛因斯坦廣義(yi) 相對論所預測的那樣，物質落入宇宙密集區域的速度比預期的要慢。又或者，人們(men) 對暗能量的理解還遠遠不夠，因為(wei) 暗能量被認為(wei) 是造成宇宙加速膨脹的“幕後推手”。

但是，這一觀測結果目前仍存爭(zheng) 議。馮(feng) 磊認為(wei) ，雖然這個(ge) 項目持續7年觀測了3000萬(wan) 個(ge) 星係，約占宇宙的5%，但也有一種可能是這5%的空間恰恰是比較均勻的，所以還需要其他天區的相關(guan) 數據進行對比，才能更好地確定宇宙的均勻性。

由於(yu) 這一觀測結果來得極其突然，全球的天文學家在震驚之餘(yu) 還沒有開展相應的研究。“如果這一結果被證明是對的，那麽(me) 我們(men) 就要反過來思考廣義(yi) 相對論和宇宙學參數是否需要修改。”馮(feng) 磊告訴記者，這可能會(hui) 顛覆人們(men) 對宇宙演化的理解。

本報記者 張 曄




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