哈勃太空望遠鏡拍攝的PLCK G308.3-20.2星團。對這些星團的研究可以幫助我們(men) 了解宇宙的基本信息，例如宇宙中物質的密度。

圖片來源：歐洲空間局（ESA）/哈勃望遠鏡（Hubble），美國國家航天局（NASA）和再電離透鏡群調查（RELICS）

宇宙學的標準模型是目前我們(men) 對宇宙所能做的最好描述。但是最新的研究發現，通過兩(liang) 種不同的方法來測量宇宙，得到的結果卻不盡相同。如果通過更精確的測量還不能消除這個(ge) 差異的話，物理學家可能就得修改宇宙學的標準模型了。

德國波鴻魯爾大學（Ruhr University Bochum）的天文學家Hendrik Hildebrandt說：“如果這真的預示了標準模型的崩潰，那將可能是物理學的重大變革。”

從(cong) 前幾年，對哈勃常數（Hubble constant）的兩(liang) 次獨立計算測量結果不一致開始，人們(men) 就已經對標準模型的正確性產(chan) 生類似擔憂。哈勃常數指的是宇宙的膨脹速度，哈勃常數的測量差異則稱為(wei) 哈勃衝(chong) 突（Hubble tension）。

對宇宙的測量結果以一個(ge) 名為(wei) “sigma-8”的參數來描述，而上述測量宇宙結果之間的差異則被稱為(wei) “sigma-8衝(chong) 突（sigma-eight tension）”，它與(yu) 測量宇宙中物質的密度和聚集的程度有關(guan) 。為(wei) 了計算sigma-8，Hildebrandt和他的同事們(men) 運用了一種名為(wei) “弱引力透鏡”的效應進行測量。在這種效應中，來自遙遠星係的光會(hui) 因為(wei) 星係和地球之間物質的引力而稍稍向我們(men) 的望遠鏡方向彎曲。

由弱引力透鏡效應產(chan) 生的變形非常小，幾乎不會(hui) 改變單個(ge) 星係的形狀。但如果把天空中成千上萬(wan) 個(ge) 星係的形狀平均起來，就會(hui) 顯示出微弱的透鏡效應。假設星係相對於(yu) 地球的方向是隨機的，那在沒有弱引力透鏡效應的情況下，它們(men) 的平均形狀應該是接近圓形的。但由於(yu) 這種效應的輕微扭曲，星係的平均形狀則偏向橢圓形。

在觀測天空中星係豐(feng) 富的區域時，天文學家可以利用弱引力透鏡效應的這一效果，來估計地球與(yu) 觀測對象之間物質（包括暗物質）的數量和分布。也就是說，他們(men) 設法測量了宇宙的物質密度。

但要做到精確測量還需要知道每個(ge) 被研究的星係之間的距離。通常情況下，天文學家通過測量一個(ge) 星係的光譜紅移來計算它與(yu) 另一個(ge) 星係的距離。紅移是指星係的光向光譜中波長較長的紅色光方向偏移的量，紅移越大，表明物體(ti) 越遠。

然而，在處理數以百萬(wan) 計的星係時，測量單個(ge) 光譜紅移是極其低效的。因此，Hildebrandt的團隊采用了一種名為(wei) “測光紅移”的方法，即以不同波長拍攝同一片天空的多幅圖像，波長跨度從(cong) 光學波段到近紅外波段。研究人員利用這些圖像來估計每個(ge) 星係的紅移。Hildebrandt說：“它們(men) 的測量效果不像傳(chuan) 統的光譜紅移那麽(me) 好，但它們(men) 的效率要高得多”。

在整個(ge) 分析過程中，研究小組使用了數百平方度天空的高分辨率圖像（滿月的直徑大約是半度），運用到了9個(ge) 波長波段，其中包括4個(ge) 可見光波段和5個(ge) 近紅外波段。這些觀測涉及到約1500萬(wan) 個(ge) 星係，由歐洲南方天文台（European Southern Observatory）的“千度巡天”計劃（Kilo-Degree Survey, KiDS）和）“VISTA千度紅外星係巡天”計劃（VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey, VIKING）采集，利用的是歐南台位於(yu) 智利的帕拉納爾天文台（Paranal Observatory）的兩(liang) 台小型望遠鏡。

VIKING使用近紅外波段對同一天空區域進行多次觀察，所得的數據支持了KiDS的數據集。因為(wei) 一個(ge) 星係離我們(men) 的距離越遠，它遠離我們(men) 的速度就越快，所以更多星係發出的光被紅移到近紅外波段，因而僅(jin) 僅(jin) 依靠光學觀測是不夠的。紅外測量則可以捕捉到更多來自這些星係的光，從(cong) 而更好地估計它們(men) 的測光紅移。

為(wei) 了確保測光紅移盡可能準確，天文學家對少數相同星係進行光譜紅移測量，並根據測量結果對測光紅移測量的結果進行了校準。那些光譜紅移是由位於(yu) 帕拉納爾山的8米口徑甚大望遠鏡（Very Large Telescope）和位於(yu) 夏威夷莫納克亞(ya) 山的10米口徑凱克望遠鏡（Keck telescopes）測量得到的。

約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）的天體(ti) 物理學家、諾貝爾獎得主Adam Riess對KiDS研究人員的努力表示讚賞。他說：“他們(men) 最新的研究結果使用了紅外數據，比起一味追求鏡頭的質量和獲得可靠的測光紅移，這可能對於(yu) 實驗更有效。”

利用覆蓋了大約350平方度天空的綜合數據，天文學家估算出參數sigma-8的值。但他們(men) 所得的值與(yu) 歐洲航天局（European Space Agency）測量得到的值卻不一致。歐洲航天局的sigma-8值是通過他們(men) 的普朗克衛星（Planck satellite）對宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background, CMB）的觀測而測量出的。宇宙微波背景輻射是宇宙中最早的可觀測光，大約在宇宙大爆炸後38萬(wan) 年時發出。普朗克衛星全方位地繪製了宇宙微波背景輻射的溫度和偏振的變化，宇宙學家則可以利用這張繪製出的圖來計算出早期宇宙的sigma-8值。宇宙學標準模型認為(wei) 宇宙由5%的普通物質，27%的暗物質和68%的暗能量組成，利用標準模型，他們(men) 可以推斷出130億(yi) 年來宇宙的演化過程，從(cong) 而估算出現在sigma-8的值。

這就是讓人緊張的地方了。Hildebrandt的弱透鏡研究計算sigma-8約為(wei) 0.74，而普朗克衛星的數據計算值卻約為(wei) 0.81。Hildebrandt說：“大約有百分之一的可能性，這種‘衝(chong) 突’是一種統計起伏”。統計起伏是數據中的隨機噪聲，它可以模擬實際信號，也會(hui) 隨著數據的增加而消失。他說：“這還不是完全得擔心到失眠的事情。”

現在的確也還沒有定論。這種差異也可能是由於(yu) 某一方或者雙方在計算中出現的係統性錯誤。在研究人員發現這些錯誤之後，可能就能消除這種差異。

或者結果也可能不是這樣，正如所謂的“哈勃衝(chong) 突”。隨著天文測量變得越來越精確，哈勃衝(chong) 突的統計顯著性隻會(hui) 越來越大，這讓不少焦慮的理論家徹夜難眠。Hildebrandt說：“sigma-8的差異可能會(hui) 發生和哈勃衝(chong) 突相類似的事情，我們(men) 也不清楚”。

Riess也帶領團隊利用鄰近宇宙中超新星的測量值來估算哈勃常數。他把sigma-8衝(chong) 突比作“哈勃衝(chong) 突的弟弟或妹妹”。現在普遍認為(wei) 哈勃衝(chong) 突是具有統計顯著性的，隻有小於(yu) 350萬(wan) 分之一的幾率是意外所致。sigma-8衝(chong) 突有百分之一的概率是統計失常，就像幾年前哈勃衝(chong) 突一樣。Riess說：“所以它沒那麽(me) 重要，但還是值得關(guan) 注，以尋找可能的聯係”。

但如果sigma-8衝(chong) 突上升到與(yu) 哈勃衝(chong) 突相同的統計相關(guan) 性水平，那麽(me) 重新評估宇宙學標準模型就變得刻不容緩了。到那時，宇宙學家可能就得尋求新的物理學模型，使普朗克衛星對sigma-8的預測值與(yu) 當今宇宙參數的直接測量值保持一致。Hildebrandt說：“這將是一個(ge) 令人興(xing) 奮的走向”。

那個(ge) 用於(yu) 修正標準模型的潛在的新物理學模型，可能也會(hui) 影響到暗能量和暗物質的數量、性質、相互作用方式，以及其他更奇異的修正。Riess說：“一樣是為(wei) 了修正哈勃常數衝(chong) 突，有些對宇宙模型的理論修正方案使得sigma-8衝(chong) 突差異更大，有些則消減了差異”。

Hildebrandt也認為(wei) 目前還沒有明顯的解決(jue) 方案。他說：“如果有一個(ge) 令人信服的模型，或許人們(men) 都會(hui) 跟隨它。但現在我認為(wei) 還沒有。我們(men) 這些觀察者真的有責任提升sigma-8衝(chong) 突的統計顯著性，或者消除這種差異”。

作者

Anil Ananthaswamy

著有《物理學的邊緣》（The Edge of Physics），《那個(ge) 不在場的人》（The Man Who Wasn’t there），以及最近出版的《同時通過兩(liang) 扇門：捕捉我們(men) 量子現實之謎的優(you) 雅實驗》（Through Two Doors at Once: The Elegant Experiment That Captures the Enigma of Our Quantum Reality）

翻譯：餘(yu) 遠葭

審校：黃靜

引進來源：科學美國人

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


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