[第一時(shí)間]上海天文館正式開館 記者探館：感受星空 理解宇宙 思索未來(lái)

　　宇宙是無(wú)邊無(wú)際的平坦空間，還是一個(gè)閉合的球面？我們無(wú)法直接觸碰宇宙可能的邊界，但根據(jù)來(lái)自地面與衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在計(jì)算了宇宙中物質(zhì)分布的密度后，多數(shù)宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙是平坦的。但是近年來(lái)，一些研究對(duì)此前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)提出了新的解釋。當(dāng)理論與觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法協(xié)調(diào)，分歧將如何得到解決？

　　撰文 | 安德烈亞·卡波奇（Andrea Capocci）

　　翻譯 | 張琪

　　1919年，英國(guó)天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）測(cè)量了畢星團(tuán)的光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)的偏折角，從而證明了愛因斯坦廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程中最重要的一項(xiàng)預(yù)言：在有質(zhì)量的物體周圍，引力場(chǎng)會(huì)使時(shí)空彎曲，從而使穿過(guò)這一空間的光線偏折。

　　在此之前，科學(xué)家普遍認(rèn)為光線永遠(yuǎn)沿直線傳播。在歐式幾何中，一張紙上的兩條平行線永不相交，三角形內(nèi)角和永遠(yuǎn)是180°。這一體系看上去理所當(dāng)然，然而以非歐幾何為基礎(chǔ)的廣義相對(duì)論，對(duì)于宇宙的“形狀”提出了完全不同的看法。盡管對(duì)太空的不斷探索讓我們能夠以更高的精度來(lái)觀察這個(gè)宇宙，但一項(xiàng)爭(zhēng)議直至今日仍未平息：在討論宇宙的結(jié)構(gòu)和演化歷史時(shí)，一部分人支持“精確宇宙學(xué)”和宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，然而其他人卻認(rèn)為宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型存在危機(jī)。

　　宇宙是非歐空間？

　　對(duì)于我們這些生活在地球上的人來(lái)說(shuō)，想象兩條相交的平行線其實(shí)并不困難。比如在地球表面任取兩條經(jīng)線，從赤道處看，它們是平行的，但它們會(huì)在南北極相交。當(dāng)這兩條經(jīng)線和它們之間的赤道構(gòu)成一個(gè)三角形，它的內(nèi)角和也大于180°。不過(guò)這并不代表你在學(xué)校學(xué)到的幾何知識(shí)就都是錯(cuò)的——在一張紙的尺度上，地球表面可以近似地視為平面，因此仍然可以被視作歐氏空間。只有在很大的空間尺度上，我們才會(huì)意識(shí)到地球其實(shí)是個(gè)球體，其表面的直線和三角形遵循著與歐氏幾何不同的規(guī)律。

　　類似的，在我們的日常生活中，光線似乎也遵循歐氏幾何定理。然而在更大的尺度上，比如從畢星團(tuán)到地球這么遠(yuǎn)的距離（約151光年），卻能觀測(cè)到光線的微小偏移。這種偏移有兩種可能的解釋：光仍然在歐氏空間中傳播，只是星球或星系的引力場(chǎng)導(dǎo)致了一些局部偏差；或是宇宙并非是我們熟悉的歐氏空間。

　　正如前文所說(shuō)，在驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)完成后不久，學(xué)界就開始思考，宇宙空間是不是彎曲的。為了了解大尺度空間的幾何形狀，我們有必要先知道宇宙中物質(zhì)是如何分布的。

　　為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家想到了1687年牛頓提出的“宇宙學(xué)原理”。這一原理指出，宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的。也就是說(shuō)，如果我們選取的范圍足夠大，無(wú)論你從哪一點(diǎn)觀察，宇宙應(yīng)當(dāng)都具有相同的性質(zhì)。而根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，宇宙學(xué)原理其實(shí)在說(shuō)，宇宙各點(diǎn)的空間曲率一定相同。符合這一要求的空間很少，在三維空間中想象這種空間也比較困難。為了便于理解，我們不如暫時(shí)把自己放入二維空間中。

　　在二維空間中，歐氏空間就是一個(gè)無(wú)限延伸的平面，而各處曲率相同的非歐空間只有兩種可能的形狀：一種是球體表面，這種空間被稱為“閉合”的，因?yàn)槟阋恢毖匾粋€(gè)方向行走，最終總能回到起始點(diǎn)；另一種是類似馬鞍的形狀，這種空間被稱為“開放”的，在這樣的面上，沿著一個(gè)方向走會(huì)距起始點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)。

　　宇宙3種可能的幾何結(jié)構(gòu)：左側(cè)（球面）和右側(cè)（馬鞍狀）的都是非歐空間；中央的平坦宇宙符合歐幾里得幾何。目前科學(xué)家對(duì)于宇宙形狀的爭(zhēng)論集中于球面和平坦空間。

　　關(guān)于宇宙的形狀，蘇聯(lián)物理學(xué)家亞歷山大·亞歷山德羅維奇·弗里德曼（Aleksandr Alexandrovich Friedmann）最先取得了一些進(jìn)展，他認(rèn)為宇宙中質(zhì)量和能量的密度決定了宇宙是閉合的還是開放的。根據(jù)弗里德曼的模型總結(jié)出的兩個(gè)方程顯示，物質(zhì)的引力會(huì)減緩宇宙膨脹的速度，并且如果測(cè)得的物質(zhì)密度高于每立方米6個(gè)質(zhì)子質(zhì)量的臨界密度，那么宇宙就應(yīng)當(dāng)是一個(gè)閉合空間。這樣一來(lái)，只需要知道弗里德曼方程中的參數(shù)，就能夠了解宇宙的幾何結(jié)構(gòu)和演化歷史。而其中最主要的參數(shù)，就是宇宙中質(zhì)量和能量的密度。

　　宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型

　　在近一個(gè)世紀(jì)之后，宇宙中物質(zhì)和能量的性質(zhì)和密度仍然是理論物理學(xué)要面對(duì)的重要問(wèn)題。對(duì)于宇宙中的“普通”物質(zhì)（也就是形成原子的物質(zhì)）的數(shù)量，我們可以直接估計(jì)出來(lái)。觀測(cè)結(jié)果顯示，宇宙中普通物質(zhì)的平均密度非常低，每4立方米的宇宙中，平均只有10^（-27）千克普通物質(zhì)。

　　因此，僅靠普通物質(zhì)是無(wú)法解釋宇宙的大尺度特性的。恒星、星系、星系團(tuán)甚至能夠聚集形成更大規(guī)模的超星系團(tuán)、纖維狀結(jié)構(gòu)和墻狀結(jié)構(gòu)，這些更大尺度的系統(tǒng)可以延伸數(shù)億光年之遠(yuǎn)。只有在超出這個(gè)尺度時(shí)，我們才可能認(rèn)為宇宙符合宇宙學(xué)原理中的描述，是均勻的。然而想要形成我們所觀察到的這些大規(guī)模的宇宙結(jié)構(gòu)，普通物質(zhì)還是過(guò)于稀薄了。根據(jù)宇宙學(xué)家的解釋，這些結(jié)構(gòu)能夠形成是因?yàn)橛钪嬷羞€存在另一種形式的物質(zhì)——暗物質(zhì)。宇宙學(xué)家認(rèn)為是暗物質(zhì)的引力使物質(zhì)集結(jié)在一起，從而維持了如此大規(guī)模的宇宙結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一理論，暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)低于光速，暗物質(zhì)也被稱為“冷暗物質(zhì)”。

　　在20世紀(jì)90年代末，通過(guò)觀察遙遠(yuǎn)的超新星，兩支研究團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，盡管物質(zhì)在引力作用下會(huì)傾向于聚集在一起，但宇宙并沒(méi)有坍縮，相反，宇宙反而在加速膨脹。宇宙學(xué)家猜測(cè)，宇宙的加速膨脹是因?yàn)榇嬖谝环N額外的能量形式，并將其命名為“暗能量”。

　　弗里德曼的方程，以及暗物質(zhì)和暗能量假說(shuō)共同構(gòu)建了宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們可以將這個(gè)模型的內(nèi)容總結(jié)為ΛCDM。其中，Λ代表暗能量，愛因斯坦在解釋宇宙為何不會(huì)因引力坍縮時(shí)，就引入了宇宙學(xué)常數(shù)Λ。而CDM（cold dark matter）代表冷暗物質(zhì)。

　　除了暗物質(zhì)和暗能量的解釋之外，標(biāo)準(zhǔn)模型還假設(shè)宇宙是“平坦的”。換句話說(shuō)，在大尺度上，宇宙符合歐幾里得幾何。在這種情況下，宇宙中包括輻射、普通物質(zhì)和暗物質(zhì)在內(nèi)的總體能量密度應(yīng)當(dāng)精確地符合弗里德曼方程計(jì)算出的臨界密度。那么，如果觀測(cè)得到的密度與預(yù)測(cè)的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)模型和精確宇宙學(xué)基本假設(shè)其中之一將被否定。

　　對(duì)于宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)，主要的信息來(lái)源就是誕生于宇宙大爆炸之后的宇宙微波背景輻射。觀測(cè)結(jié)果顯示，在不同觀測(cè)方向上，宇宙微波背景輻射顯現(xiàn)出微弱的差異，這被稱為各向異性。如果我們根據(jù)宇宙微波背景輻射的溫度為各個(gè)天區(qū)上色，我們會(huì)在天區(qū)圖上看到溫暖區(qū)域與寒冷區(qū)域的“斑點(diǎn)”交替出現(xiàn)。

　　對(duì)于宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種溫度差異蘊(yùn)含著極大的研究?jī)r(jià)值。根據(jù)大爆炸理論，這些溫度依賴于宇宙在復(fù)合期過(guò)后短時(shí)間的狀態(tài)，以及光子到達(dá)我們這里前穿過(guò)的宇宙的幾何性質(zhì)。主要的斑點(diǎn)反映了原初宇宙中物質(zhì)密度的波動(dòng)，并且由于宇宙中物質(zhì)和能量的密度存在差異，斑點(diǎn)會(huì)被空間曲率的變化放大或削弱。

　　目前，我們對(duì)宇宙復(fù)合期粒子密度的估算比較可靠，因此這些斑點(diǎn)的大小提供了關(guān)于宇宙幾何形狀的直接信息。在描述斑點(diǎn)的寬度時(shí)，我們指的是從觀察者到兩個(gè)相鄰的點(diǎn)的兩條線之間的夾角。如果宇宙是平坦的，即物質(zhì)和能量的密度是臨界密度，那么溫度圖上較大的斑點(diǎn)的寬度應(yīng)當(dāng)約為1°。

　　從BOOMERanG到普朗克衛(wèi)星

　　對(duì)于宇宙微波背景輻射的溫度差異，首個(gè)詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄是由毫米波段氣球觀天計(jì)劃（BOOMERanG）獲得的。1998年，研究團(tuán)隊(duì)在熱氣球上安裝了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)氣球在南極洲上方的平流層中漂浮了大約11天。兩年后，該望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)及其分析發(fā)表于《自然》期刊，這項(xiàng)研究確認(rèn)了斑點(diǎn)的平均寬度只有1°。據(jù)此，研究者認(rèn)為宇宙中物質(zhì)和能量的密度與弗里德曼預(yù)期的非常一致。換句話說(shuō)，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的平坦宇宙的假說(shuō)，似乎被數(shù)據(jù)證實(shí)了。

　　同時(shí)，其他在陸地上進(jìn)行的觀測(cè)也證實(shí)了BOOMERanG的觀測(cè)結(jié)果。在隨后的幾年間，兩項(xiàng)更有野心的項(xiàng)目啟動(dòng)了，它們計(jì)劃將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到繞地軌道上，這樣它在觀測(cè)宇宙時(shí)就不會(huì)被地球的大氣層干擾了。第一個(gè)項(xiàng)目是由NASA發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）。WMAP在2001年發(fā)射升空，并且一直在收集富含更多細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)同樣證實(shí)了平坦宇宙的假說(shuō)。在此之后的第二年，ESA的普朗克衛(wèi)星發(fā)射升空，并在2013年提供了第一批數(shù)據(jù)。

　　對(duì)多數(shù)宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)模型提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)，并且使得學(xué)界可以以前所未有的精度測(cè)量各種宇宙學(xué)常數(shù)。根據(jù)估計(jì)，宇宙的年齡為138億年，哈勃常數(shù)約為68 km/s/Mpc。

　　然而在普朗克衛(wèi)星項(xiàng)目的合作者中，并非所有人都認(rèn)為衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果支持了標(biāo)準(zhǔn)模型。例如在2019年11月，一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文學(xué)》發(fā)表了一篇文章。文中提出，普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)支持了彎曲的宇宙，而非平坦的宇宙。這一論點(diǎn)正是來(lái)源于對(duì)宇宙微波背景輻射的斑點(diǎn)受物質(zhì)影響變形的分析。

　　復(fù)合期釋放出的光子在穿越了宇宙中的物質(zhì)和能量后，其軌跡會(huì)發(fā)生偏移，并且傾向于混在一起，再被普朗克衛(wèi)星探測(cè)到。這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)。根據(jù)引力透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度，我們就能夠估計(jì)空間中物質(zhì)的分布。為了解釋普朗克衛(wèi)星探測(cè)到的透鏡效應(yīng)，物質(zhì)的密度需要比臨界密度高出4%，也就是說(shuō)，宇宙的幾何形狀并不是平坦開放的，而是球形閉合的。這就與標(biāo)準(zhǔn)模型中的假設(shè)出現(xiàn)了分歧。然而在BOOMERanG驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型之后，大多數(shù)科學(xué)家將平坦宇宙的假設(shè)視為理所當(dāng)然了，因此4%的偏差并沒(méi)能引起足夠的重視。

　　歐洲空間局發(fā)射的“普朗克”探測(cè)衛(wèi)星能以很高的角分辨率測(cè)出宇宙微波背景輻射的溫度變化。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測(cè)間的確存在差異：小尺度上的溫度變化幅度比理論預(yù)測(cè)的小，這一現(xiàn)象可以用“引力透鏡效應(yīng)”解釋。

　　由于這一效應(yīng)，該理論預(yù)測(cè)的溫度變化程度會(huì)被透鏡效應(yīng)削弱。相比平坦的宇宙，在一個(gè)閉合的彎曲宇宙中，這種削弱的程度會(huì)更劇烈。

　　危機(jī)真的存在嗎？

　　上述論文指出，對(duì)于普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的異常，能量密度更高的閉合宇宙是個(gè)很好的解決方案。一些科學(xué)家提到了宇宙學(xué)中“可能存在的危機(jī)”，即我們可能需要突破標(biāo)準(zhǔn)模型。

　　今年2月，劍橋大學(xué)的喬治·埃夫斯塔西奧（George Efstathiou）和史蒂文·格拉頓（Steven Gratton）在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上共同發(fā)表了一項(xiàng)對(duì)于普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析。在這項(xiàng)研究中，他們利用一種全新的數(shù)據(jù)分析方法，發(fā)現(xiàn)宇宙曲率的變化其實(shí)是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的偏差，并且最終符合平坦宇宙的假設(shè)。

　　標(biāo)準(zhǔn)模型的支持者強(qiáng)調(diào)，如果彎曲宇宙的假說(shuō)成立，那么各種宇宙學(xué)參數(shù)的推測(cè)值應(yīng)當(dāng)與觀測(cè)的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。比如，哈勃常數(shù)應(yīng)當(dāng)約為54 km/s/Mpc，遠(yuǎn)小于被學(xué)界廣泛認(rèn)可的觀測(cè)結(jié)果：67~71 km/s/Mpc。

　　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的反對(duì)意見并不僅僅源于宇宙空間的曲率。2019年年底，韓國(guó)延世大學(xué)、韓國(guó)天文學(xué)和空間科學(xué)研究所和法國(guó)里昂大學(xué)的研究者共同進(jìn)行了一項(xiàng)研究，他們分析了一系列Ia型超新星，發(fā)現(xiàn)它們的亮度并非像我們過(guò)去認(rèn)為的保持不變，而是會(huì)跟隨超新星的年齡發(fā)生變化。如果Ia型超新星的亮度并不能作為參考，宇宙是否在加速膨脹以及暗能量是否存在就將失去一項(xiàng)實(shí)證證據(jù)。然而，一些宇宙學(xué)家對(duì)這一研究持保留態(tài)度，他們認(rèn)為其中仍存在一些問(wèn)題：比如根據(jù)這項(xiàng)研究的計(jì)算結(jié)果，一些星系的年齡甚至?xí)笥谟钪姹旧怼?/span>

　　在物理學(xué)的歷史上，也存在著許多類似的事件：一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的不同。有時(shí)學(xué)界最終能夠用理論解釋數(shù)據(jù)的偏差，這時(shí)爭(zhēng)論就會(huì)自然消失。但是如果理論與觀測(cè)結(jié)果始終無(wú)法協(xié)調(diào)，那么科學(xué)家就必須找到一個(gè)新的理論。

　　未來(lái)的研究

　　在未來(lái)的幾年里，一些研究項(xiàng)目引入了新的元素，來(lái)驗(yàn)證宇宙微波背景輻射的光譜是否會(huì)突破目前廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)模型。

　　西蒙斯基金會(huì)（Simons Foundation）正在聯(lián)合美國(guó)一些大學(xué)在南美洲的阿塔卡瑪沙漠進(jìn)行一項(xiàng)全新的觀測(cè)項(xiàng)目，這一項(xiàng)目致力于在受地球大氣影響最小的地點(diǎn)之一觀測(cè)并研究宇宙微波背景輻射。其第一份數(shù)據(jù)計(jì)劃于2022年獲得，目標(biāo)將是探測(cè)原初宇宙的引力波，從而驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的另一個(gè)預(yù)測(cè)。

　　ESA的歐幾里得衛(wèi)星（EUCLID）也將為我們帶來(lái)關(guān)乎于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的新信息。歐幾里得衛(wèi)星計(jì)劃于2022年發(fā)射，旨在為遙遠(yuǎn)的星系繪制出更高精度的地圖。其最遠(yuǎn)范圍能到100億光年以外，從這些星系釋放的輻射需要100億年才能到達(dá)地球。在這一時(shí)間跨度上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，宇宙的膨脹會(huì)先受到暗物質(zhì)的抑制，隨后被暗能量加速，而星系的分布應(yīng)當(dāng)能夠反映出這一演化過(guò)程，亦或是推翻它。歐幾里得衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果將會(huì)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型和平坦宇宙的一次新測(cè)試。

　　本文轉(zhuǎn)自環(huán)球科學(xué)