科學(xué)探索 | 給宇宙稱重：兩個(gè)不同的結(jié)果，可能導(dǎo)致宇宙模型崩潰

圖片來(lái)源：ESA/Hubble, NASA and RELICS
兩種完全不同的“稱量”宇宙的方法，卻產(chǎn)生了截然不同的結(jié)果。如果這種差異不是由測(cè)量誤差導(dǎo)致的，那么物理學(xué)家可能不得不修改目前對(duì)宇宙的最佳描述——標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。
德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)（Ruhr University Bochum）的天文學(xué)家昂德里克·希爾德布蘭特（Hendrik Hildebrandt）說(shuō)：“如果這真的預(yù)示著標(biāo)準(zhǔn)模型的崩潰，那將具有潛在的開(kāi)創(chuàng)性意義?！?br> 對(duì)于哈勃常數(shù)（代表了當(dāng)今宇宙的膨脹速度），通過(guò)兩種不同測(cè)量方法得到的數(shù)值始終存在分歧，也引發(fā)了人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型正確性的擔(dān)憂。哈勃常數(shù)測(cè)量值的分歧，也被稱作哈勃爭(zhēng)議（Hubble tension）。
而現(xiàn)在，在宇宙學(xué)中，另一個(gè)影響深遠(yuǎn)的分歧出現(xiàn)了，這就是sigma-8爭(zhēng)議。宇宙中的物質(zhì)不是均勻分布的，而sigma-8反映了與宇宙中物質(zhì)的密度，以及物質(zhì)聚集的程度。
如何測(cè)量宇宙質(zhì)量
為了計(jì)算sigma-8，希爾德布蘭特和同事轉(zhuǎn)而研究了一種叫作弱引力透鏡的效應(yīng)。這種效應(yīng)指的是，由于星系和地球之間也分布著少量物質(zhì)，因而來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光在抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡的過(guò)程中，會(huì)受到這些物質(zhì)的引力作用，輕微地彎曲。
當(dāng)然，由此產(chǎn)生的扭曲程度非常微弱，幾乎不會(huì)改變單個(gè)星系的形狀。但是如果你計(jì)算一定范圍內(nèi)數(shù)以萬(wàn)計(jì)星系的形狀的平均值，就會(huì)發(fā)現(xiàn)微弱的透鏡效應(yīng)。假設(shè)星系相對(duì)地球的方向是隨機(jī)的，那么在不考慮弱透鏡效應(yīng)的情況下，它們的平均形狀應(yīng)該是近圓形。但由于這種效應(yīng)導(dǎo)致的輕微扭曲，星系的平均形狀會(huì)變成橢圓。
天文學(xué)家利用這樣的信號(hào)，估計(jì)了我們與各個(gè)星系密集區(qū)域之間的物質(zhì)（包括普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）的含量和分布。換句話說(shuō)，他們?cè)O(shè)法測(cè)量了宇宙中物質(zhì)的密度。
但要做到這一點(diǎn)，還需要另一個(gè)信息：我們到各星系的距離。通常，天文學(xué)家通過(guò)光譜紅移來(lái)計(jì)算這一距離。紅移是星系發(fā)出的光的波長(zhǎng)向光譜紅光部分的偏移。紅移越大，該天體距離我們?cè)竭h(yuǎn)。
然而，在處理上百萬(wàn)個(gè)星系時(shí)，用光譜紅移逐一測(cè)量單個(gè)星系距離的方法效率極低。因此希爾德布蘭特的研究小組轉(zhuǎn)而選擇了一種叫作測(cè)光紅移的方法，即在從可見(jiàn)光到近紅外波段的不同波段中，分別拍攝同一天區(qū)的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來(lái)估計(jì)每個(gè)星系的紅移?！斑@樣得出的結(jié)果不如傳統(tǒng)的光譜紅移方法準(zhǔn)確，”希爾德布蘭特說(shuō)，“但考慮到使用望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間，它的效率要高得多?！?br> 在整個(gè)分析過(guò)程中，研究小組在9個(gè)波段（4個(gè)可見(jiàn)光波段和5個(gè)近紅外波段）進(jìn)行觀測(cè)，獲得了數(shù)百平方度天區(qū)（滿月的直徑約為0.5度）范圍的高分辨率圖像。他們使用兩臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡對(duì)大約1500萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行了觀測(cè)。他們使用歐洲南方天文臺(tái)在智利帕瑞納(Paranal)天文臺(tái)的兩個(gè)巡天項(xiàng)目對(duì)大約1500萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行了觀測(cè)。這兩個(gè)項(xiàng)目分別是千平方度巡天(Kilo-Degree Survey，KiDS)和VISTA千平方度紅外星系巡天（VIKING）。
VIKING可以在近紅外波段對(duì)同一片天區(qū)進(jìn)行多次觀測(cè)，從而對(duì)KiDS的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。一個(gè)星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，它離我們而去的速度就越快，星系發(fā)出的光的紅移就越明顯，也就是說(shuō)更多的光線會(huì)從可見(jiàn)光波段進(jìn)入紅外波段，因此僅僅在可見(jiàn)光波段進(jìn)行觀測(cè)是不夠的。而紅外測(cè)量能夠捕獲更多光線，從而幫助研究人員更好地估算它們的測(cè)光紅移。
為了確保測(cè)光紅移的計(jì)算盡可能準(zhǔn)確，研究者還使用了帕瑞納的8米甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope）和夏威夷冒納凱亞的10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck telescopes）對(duì)幾個(gè)星系的光譜紅移測(cè)量值進(jìn)行了校準(zhǔn)。
美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的天體物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）對(duì)KiDS研究人員的努力表示了認(rèn)可。他說(shuō)：“他們的最新結(jié)果使用了紅外數(shù)據(jù)，這或?qū)椭覀兏玫乩斫馔哥R效應(yīng)，并獲得更可靠的測(cè)光紅移結(jié)果?！?br> 結(jié)果帶來(lái)的爭(zhēng)議
天文學(xué)家利用覆蓋了大約350平方度天區(qū)的綜合數(shù)據(jù)，估計(jì)出了sigma-8的數(shù)值。然而問(wèn)題在于，這個(gè)數(shù)值與根據(jù)普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景（CMB）的觀測(cè)值計(jì)算的sigma-8值存在差異。CMB是宇宙中最早的可觀測(cè)光，在大爆炸后約38萬(wàn)年發(fā)出。普朗克衛(wèi)星逐點(diǎn)繪制了CMB溫度和偏振的變化圖。這樣，宇宙學(xué)家就可以利用這張圖來(lái)計(jì)算早期宇宙的sigma-8值。利用宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型（該模型指出，宇宙由大約5%的普通物質(zhì)、27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量組成），他們可以推演出經(jīng)歷了130多億年的演化后，宇宙當(dāng)前的 sigma-8值。
問(wèn)題來(lái)了：希爾德布蘭特根據(jù)弱透鏡效應(yīng)估計(jì)的sigma-8約為0.74，而普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供的值約為0.81。有一種可能性是，這種差異源自統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，即數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的隨機(jī)噪點(diǎn)。但希爾德布蘭特說(shuō)，sigma-8爭(zhēng)議源自統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的概率“大約只有1%”，因此“統(tǒng)計(jì)波動(dòng)不是什么大問(wèn)題?！?br> 至少目前來(lái)說(shuō)，還存在其他可能的解釋。這種差異也可能源自于一兩組計(jì)算中隱藏的系統(tǒng)誤差。如果研究人員排查出任何此類誤差，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)消失。
或者，在那之后，爭(zhēng)議仍然存在，就像哈勃爭(zhēng)議一樣。隨著天文測(cè)量變得越來(lái)越精確，哈勃爭(zhēng)議的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性變得越來(lái)越大，這甚至讓一些理論學(xué)家憂慮到失眠?！拔覀兊膕igma-8偏差也可能會(huì)出現(xiàn)相似的情況，”希爾德布蘭特說(shuō)，“但目前我們還不確定?！?br> 里斯領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)估算哈勃常數(shù)的研究組，他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量附近宇宙中的超新星來(lái)估算哈勃常數(shù)。他將sigma-8張力比作“哈勃爭(zhēng)議的姊妹”。目前，研究者認(rèn)為哈勃爭(zhēng)議源自誤差的概率只有不到350萬(wàn)分之一，所以它具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與過(guò)去幾年間對(duì)哈勃爭(zhēng)議的認(rèn)識(shí)過(guò)程類似，目前認(rèn)為Sigma-8爭(zhēng)議有百分之一的概率源自統(tǒng)計(jì)偏差。里斯說(shuō)：“所以Sigma-8爭(zhēng)議沒(méi)有那么顯著，但仍然值得關(guān)注。”
如果sigma-8爭(zhēng)議的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性上升到了與哈勃爭(zhēng)議相同的水平，那么重新評(píng)估宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型將變得非常必要。到那時(shí)，宇宙學(xué)家可能需要建立新的宇宙學(xué)物理模型，使普朗克衛(wèi)星的估計(jì)值與目前的直接測(cè)量值一致。
如果未來(lái)真的需要“新物理學(xué)”來(lái)修正標(biāo)準(zhǔn)模型，那么它可能需要同時(shí)或分別改變暗能量或暗物質(zhì)的含量和性質(zhì)，并調(diào)整它們之間、它們與普通物質(zhì)的作用方式，甚至其他更離奇的修正。“目前一些試圖平息哈勃爭(zhēng)議的修正理論，反而加劇了sigma-8爭(zhēng)議，而有些理論則契合得更好，”里斯說(shuō)。
希爾德布蘭特也認(rèn)為目前沒(méi)有明確的解決辦法。“如果有一個(gè)不錯(cuò)的模型，也許人們會(huì)采納，”他說(shuō)，“但目前，我認(rèn)為這樣的模型還沒(méi)有出現(xiàn)。我們觀測(cè)者需要提高對(duì)sigma-8爭(zhēng)議的重視，或者干脆證明它是假的?！?br> 撰文：阿尼爾·阿南塔薩米（Anil Ananthaswamy）
翻譯：賀白
編輯：張二七
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/


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