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繪圖：Doaly 根據(jù)宇宙學原理，盡管宇宙中存在大量星系、星系團等結(jié)構(gòu)，但在10億光年的大尺度上，宇宙應(yīng)該是均一的。然而，陸續(xù)涌現(xiàn)的天文學觀測卻向其提出了挑戰(zhàn)。如果宇宙學原理是對的，那么一個驚悚的候選理論是：在更高維度的空間里，另一個宇宙與我們的宇宙相遇，產(chǎn)生了這些橫亙幾十億光年的神秘物體。 撰文 | Colin Stuart 翻譯 | 劉博堯 審校 | 吳非 在星羅密布的星系團間，一個直徑20億光年的巨型空洞； 由巨大的類星體構(gòu)成，橫亙40億光年的弦； 由高能的伽馬射線暴構(gòu)成，占據(jù)可觀測宇宙6%的巨大的環(huán)…… 隨著我們對宇宙的觀測變得更加清楚，天文學家發(fā)現(xiàn)了一系列巨大的結(jié)構(gòu)，它們比我們以前所知的任何天體都要大。關(guān)于這些結(jié)構(gòu)的問題只有一個：它們原本都不應(yīng)存在。 巨型結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)宇宙學原理？ 地球在宇宙中的位置并不特殊。這一觀點經(jīng)哥白尼提出后，已經(jīng)成了天文學家的基本共識。此后，天文學家該原理的適用范圍延伸至整個宇宙：宇宙中沒有任何特殊的位置，這也被稱作宇宙學原理。在恒星系統(tǒng)、星系和星系團層面上或許有一些不均勻的地方，但是在更大的尺度上，宇宙應(yīng)該是均一的。宇宙中不應(yīng)該有星系構(gòu)成的巨大的墻，不應(yīng)該有空蕩蕩的地方，也不應(yīng)該出現(xiàn)巨大的結(jié)構(gòu)。 因此，最近涌現(xiàn)出的發(fā)現(xiàn)搞得天文學家們有點緊張。但是解決方法也同樣充滿爭議。有研究者宣稱這些巨大的結(jié)構(gòu)是另一個維度的投影。如果他是對的，我們將能夠首次證實，在我們的宇宙之外還有另一個宇宙存在。而且由于這些巨大的結(jié)構(gòu)并不是我們宇宙中的實體，宇宙學原理也依然成立。 宇宙中存在特殊區(qū)域的想法是為現(xiàn)代宇宙學所不容的。英國樸茨茅斯大學宇宙學家Seshadri Nadathur說：“自文藝復(fù)興以來，我們所有的工作都是反對這一想法的?！边@一觀點也使得用廣義相對論來解釋宇宙演化的任務(wù)變得更加復(fù)雜?！皭垡蛩固狗匠淘谟钪婢坏那疤嵯潞媒舛嗔恕！盢adathur說。但至少目前，宇宙學原理還僅僅是一種猜想。沒有任何證據(jù)表明這是對的，而已有的證據(jù)似乎越來越多地反對這一觀點。 就拿那個20億光年寬的巨型空洞來說，它的發(fā)現(xiàn)者之一，西班牙巴塞羅那高能物理研究所的András Kovács說：“那部分宇宙的星系數(shù)目比平均值要少10000個?！备鶕?jù)最新的數(shù)據(jù)，天文學家相信宇宙學原理在大約十億光年的尺度下一定是對的。在這一尺度下，任意給定區(qū)域的物質(zhì)多少都是相近的。這個巨洞的寬度幾乎超過這一界限一倍，看起來十分顯眼。Kovács團隊稱這個洞為超巨洞，并相信這個洞有可能解釋宇宙微波背景輻射中巨大的冷斑，一個困擾天文學家十幾年的問題。 超巨洞還不算是最大的問題。2012年，英國中央蘭開夏大學的Roger Clowes團隊宣布發(fā)現(xiàn)了一個40億光年長的巨大線狀結(jié)構(gòu)，比超巨洞還要大一倍多?！拔覀儺敃r想‘這是什么？’很明顯那是非常不尋常的東西。”Clowes說。這一次并不是空間中有一個空洞，而是有的位置異常擁擠。這一結(jié)構(gòu)被稱作巨型超大類星體群，包含73個類星體（類星體是指非常遙遠，極度明亮的活動星系核）。天文學家在20世紀80年代早期就知道類星體總是聚在一起，但是尺度如此巨大的類星體群還前所未有。 圖中的黑色圓圈為觀測到的巨型超大類星體群。 2015年，匈牙利的天文學研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個巨大的伽馬射線暴（GRB）群，伽馬射線暴即為由遙遠星系發(fā)出，能量極高、壽命短暫的能量爆發(fā)。發(fā)射GRB的星系看起來組成了一個直徑達56億光年的圓環(huán)，占據(jù)了6%的可觀測宇宙。“我們真的沒有預(yù)料到會發(fā)現(xiàn)這么大的結(jié)構(gòu)，”來自匈牙利康科利天文臺，領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Lajos Balázs說。這個尺度比宇宙學原理預(yù)言的宇宙應(yīng)該呈現(xiàn)均一結(jié)構(gòu)的尺度還要大五倍。 宇宙學原理在我們對于宇宙的理解中占據(jù)了非?；镜奈恢茫赃@樣明顯的反例讓天文學家和宇宙學家都很不舒服，甚至這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者也不例外。談到構(gòu)成GRB大環(huán)的強烈閃光時，有人認為其周圍可能存在其他星系，這些星系的光因為沒有GRB而顯得沒那么亮。這就像一間黑屋子中均勻分布著電燈泡，而如果只有一部分是亮的，你就有可能對燈泡的分布得出錯誤的結(jié)論。“這個大環(huán)并不一定違反了宇宙學原理?！?nbsp;Balázs說。 圖片來源：ESO/M. Kornmesser 重合的宇宙膜 巨型超大類星體群同樣引起了激烈的爭辯?！拔艺J為這根本不是什么結(jié)構(gòu)?！盢adathur說。2013年，他發(fā)表了一篇研究Clowes團隊數(shù)據(jù)分析算法的論文，計算了隨機分布的類星體在這種算法下形成結(jié)構(gòu)的可能。他說：“即使什么都沒有，用他們的算法也很可能看到某些結(jié)構(gòu)?！钡穷愋求w群的存在也并未因此被直接否認。 Nadathur認為超巨洞和類星體群一樣，都是可以和宇宙學原理兼容的。他說：“該原理并沒有說不能出現(xiàn)漲落，只是說在大尺度上宇宙應(yīng)該是均一的。”簡單地說，就是超巨洞這樣的結(jié)構(gòu)并不是不可能出現(xiàn)，只是不會有太多。 但是薩斯喀徹溫大學理論物理學家Rainer Dick認為，這種忽視宇宙巨型結(jié)構(gòu)的做法是不對的。事實上，他認為接受這些結(jié)構(gòu)才能更好地維護宇宙學原理。相反，這是其他維度侵入我們維度的第一手證據(jù)，我們原本平滑均一的宇宙正是因為其他維度的入侵才有了這些異常的現(xiàn)象。 這個提議似乎膽大包天，但是它是基于堅實的理論基礎(chǔ)提出的。一方面，我們所處維度之外的維度并不是什么新事物。幾十年來，許多理論學家都將額外維度的存在視為統(tǒng)一廣義相對論和量子力學的最大希望。這兩個理論共同構(gòu)成了20世紀物理學的基礎(chǔ)，前者處理的是尺度很大的物體，后者處理尺度很小的物體。如果將這兩種完全不同的理論結(jié)合，就會得到足以囊括宇宙萬物的萬有理論。 由弦論延伸出來的M理論是萬有理論的候選者之一，它認為我們生活在11維的宇宙中，其中有7個維度都緊緊卷曲起來，以至于我們無法看到。M理論十分優(yōu)雅，數(shù)學上也頗具吸引力，有許多影響力很大的支持者。但是M理論有一個巨大缺陷：沒有辦法做出準確的預(yù)測，所以也就沒有辦法證明它是對的。Dick的工作將弦論拓展為了膜理論，而膜理論或許可以做出預(yù)言，也可能解決宇宙學原理的問題。 膜理論的核心思想是，我們的宇宙是一層四維的膜，這層膜漂浮在額外的維度中，這些額外維度里也有許許多多相似的膜。這樣的想法和我們已有的引力理論并不矛盾，Dick說，因為“你可以加入無限多的額外維度，但最終仍然可以得到廣義相對論”。 膜理論示意動畫。（來源：NASA） 盡管其余的膜因為占據(jù)額外的維度而無法直接觀測，但膜理論認為我們或許可以觀測到相鄰的膜和我們的膜重合時產(chǎn)生的效應(yīng)。 那么這對于宇宙學原理的問題有什么幫助呢？為了測量遙遠物體的距離，天文學家利用了紅移效應(yīng)。他們利用分光計將物體發(fā)出的光分解得到光譜線。任何遠離我們的物體的光波波長，都會由于宇宙膨脹而拉長，變得更紅，所以光譜線也就會向光譜的紅端移動。物體的距離越遠，遠離我們的速度就越快，譜線就移動得越多。如果天文學家看到許多物體都有同樣的紅移，那么就會將它們認定為某種結(jié)構(gòu)，比如GRB大環(huán)和巨型超大類星體群。 但是，在膜交界的區(qū)域，我們對紅移的測量就有可能出現(xiàn)偏差。在這些情況下，一層膜的光子會對另一層膜的帶電粒子施加力的作用，這種現(xiàn)象被Dick稱為膜串擾。他說：“這將改變重合區(qū)域氫原子能級間的距離?！痹谶@些能級間運動的電子釋放或吸收光子，產(chǎn)生譜線，我們又依靠這些譜線確定它們和地球的距離。 但是如果膜串擾使能級間距縮緊，產(chǎn)生光子的波長就會稍稍變長，這會產(chǎn)生和宇宙膨脹無關(guān)的紅移。如果你沒能考慮到這一點，認為紅移都是由距離產(chǎn)生的，那你計算得到的距離實際上是偏大的，這樣一來，一些原本有物體的地方就什么都看不到了。 重新認識宇宙？ 如果這個模型是對的，膜重疊的區(qū)域?qū)a(chǎn)生紅移相同、看起來堆在一起的物體，同時產(chǎn)生看起來沒有物體的區(qū)域，那么這就會讓我們認為原本均勻平滑的宇宙出現(xiàn)巨型結(jié)構(gòu)和巨洞。這個理論可以同時解決類星體群、GRB大環(huán)和超巨洞三個問題，Dick說：“這些結(jié)構(gòu)都和膜串擾的可能結(jié)果吻合?！?/span> 當然，事情一般不會這么簡單。紐約州立大學科特蘭分校的Moataz Emam說：“要讓這一切發(fā)生需要很多條件，有的條件看起來很難滿足?！盓mam同時指出，Dick的理論中一些關(guān)于引力的假設(shè)以前曾經(jīng)遭到猛烈的批評，尤其是一些研究弦論的理論工作者認為其與計算結(jié)果不符。“但是他的模型確實是可以檢驗的?！彼f。 Emam稱，觀測天空中天體密集區(qū)域和稀疏區(qū)域相連的地方，可能會提供必要的證據(jù)?？紤]到所有巨型結(jié)構(gòu)的紅移偏差都是相同的，膜重合的理論可能確實說得通。 斯隆數(shù)字巡天（SSDS）提供了有史以來最詳盡的宇宙三維圖像，在它的幫助下，Dick正計劃搜索數(shù)據(jù)庫來得到支持自己理論的數(shù)據(jù)。他說：“這將會成為平行宇宙存在的堅實證據(jù)。”這樣的發(fā)現(xiàn)不但會解決天文學觀測中最復(fù)雜的問題，也會給弦論一個實驗基礎(chǔ)。 但是他消除宇宙中最大的物體的要求，或許會導(dǎo)致新的困難出現(xiàn)。比如我們宇宙之外的膜，將挑戰(zhàn)我們對自身在宇宙中的地位的認知，并使宇宙均一性的概念變得毫無意義。在包含有很多膜的廣闊宇宙中，宇宙學原理或許根本不值得保留。 原文鏈接： https://www./article/mg22830440-300-could-cosmic-megastructures-be-intruders-from-another-world/ 《環(huán)球科學》9月刊現(xiàn)已上市 |
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