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宇宙没有想象的那么“疙疙瘩瘩”

日期:2020-09-22 浏览:

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在行使位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)对跨越3000万个星系考察7年后,科学家发现宇宙的平均性比宇宙学尺度模子展望的要凌驾近10%。

宇宙中的天体漫衍到底是平均的照样不平均的?科学家一直在寻找谜底。

已往,在爱因斯坦广义相对论的理论框架下,凭据宇宙学尺度模子展望,科学家以为宇宙早期履历了一个被称为“暴胀”的急速膨胀阶段,这一阶段的量子涨落造成了宇宙的密度涨落。随着宇宙的演化,涨落越来越大,宇宙也就逐步地变得不那么平均了。

克日,据外洋媒体报道,经由为期7年的千度考察(KiDS),科学家行使位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT),考察了距离地球100亿光年的宇宙中跨越3000万个星系。效果显示,宇宙的平均性比宇宙学尺度模子展望的要凌驾近10%。

宇宙平均性是什么?科学家又是怎样计算出整个宇宙的平均性?此次考察效果比模子展望凌驾10%意味着什么?

手艺提高使平均性验证成可能

现在,用来形貌宇宙大爆炸和宇宙进化的尺度模子为弗里德曼模子,其理论基础是爱因斯坦于1915年揭晓的广义相对论。

广义相对论实质上是关于引力的理论。1922年,俄国物理学家亚历山大·弗里德曼将广义相对论应用于整个宇宙,建立了第一个宇宙模子。

也就是说,爱因斯坦的广义相对论和弗里德曼最初提出的宇宙模子,演化成为一个配合的假设:宇宙是平均和各向同性的。这就意味着,宇宙的平均性在任何位置、任何方向上都应该是一样的。这一假设是现代宇宙学的基础,即宇宙学原理。这一原理是否准确最终需要考察验证,综合星系计数、射电源计数和微波靠山辐射等种种考察效果,这一原理的准确性是有保证的。

然而,当我们将眼光投向宇宙时,看到的却是另一幅情景:亿万颗恒星组成了星系,星系组成星系团,星系团又组成超星系团……甚至另有一个个星系组成的千头万绪的星系“链”。这样看来,宇宙到底是平均的还不平均的呢?

“若是把宇宙分成一个个大块,每个大块的密度是相对平均的。然则每个大块内的物质又有差别的结构,有的区域物质密度异常大,我们称之为核;有的区域密度异常小,我们称之为朴陋。核与核之间还通过丝状物质漫衍结构相连接。”中国科学院紫金山天文台副研究员冯磊告诉科技日报记者,“宇宙的物质漫衍就像是平衡态,种种天体结构就像是平衡态的涨落。”

科学家以为,当初做出这一假设有两个缘故原由:一是从适用的角度思量,由于用来形貌宇宙的方程太庞大了,若是宇宙不是平均的,求起解来异常难题,也就无法直观地形貌所考察的各种天体;二是由于考察手段的匮乏,那时的科技水平远远无法支持人类对遥远宇宙的探索,没有人知道宇宙在大尺度结构上是什么样子的。这样一来,把宇宙设想成最简朴的形式也就通情达理了。

此前人们没有能力从考察上对这一假设举行验证。但随着考察手艺的提高,我们能看到的宇宙区域越来越广,终于可以对其举行验证。

平均与否和考察尺度有关

也许未来的某一天,人类可以飞出太阳系,飞向距离太阳系最近的邻人——半人马座,来一趟说走就走的旅行。

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然则,作为一名太空游客,你可能会感应异常乏味,以为这次旅游是一个很糟糕的决议,只管两地相距仅有4.2光年,旅途中大部门时间都见不到一点物质的影子。

从科学上明白,这示意在相对较小的尺度范围内宇宙并非平均漫衍。

那么,在大尺度范围内宇宙是否就一定是平均的呢?许多科学家都以为,宇宙就像是海洋,从近处看海浪迭起,但从高空看,却滑腻如镜。

然则在20世纪80年代,人们通过大范围的星系红移巡天考察发现:宇宙的平均性与尺度有直接关系,纵然从上亿光年的尺度上看,宇宙空间里星系都并非平均漫衍,而是呈现出许多朴陋和纤维状的结构,只有在几十亿光年的尺度上星系漫衍才变得平均。

“在星系与星系之间,宇宙中的可见物质远远不足以把星系连成一片,组成星系团,若是不是存在一种神秘而不能见的物质,星系团早就支离破碎了。”冯磊告诉科技日报记者,科学家把这种看不见的神秘物质称为暗物质。宇宙由天体、暗物质、暗能量组成,其中暗物质和暗能量占宇宙的95%,许多看起来空无一物的宇宙空间中却是“暗”流涌动。我们通常把通俗物质、冷暗物质和宇宙学常数组成的加速膨胀宇宙学模子称为尺度宇宙模子。

总之,只管从某一角度来说,宇宙是不平均的,然则在大尺度上,宇宙的物质漫衍是平均的,尺度宇宙模子还可以继续用下去。

或将改写经典宇宙学理论

宇宙的平均性实在并非一成不变。

宇宙微波靠山辐射(CMB)的考察解释,宇宙在38万岁的时刻,有的地方温度高,有的地方温度低,这种温度的涨落与平均温度的比值大约是1/100000。“我们也可以把温度的涨落看成光子密度的涨落,可以作为宇宙平均性的输入初始值。”冯磊说道。

然则,随着宇宙的“发展”,密度的涨落会逐步地变大。密度较大的物质会通过引力“袭击”周围区域,把其他物质吸引过来,就像滚雪球一样越来越大。

这就带来一个问题,宇宙的平均性会逐步偏离初始值,变得越来越不平均。这一历程是正确可算的,凭据丈量效果,还可以磨练尺度宇宙模子的准确性。

此次千度考察项目(KiDS)的考察效果显示,宇宙的平均性比宇宙学尺度模子展望的要凌驾近10%。也就意味着,尺度宇宙模子展望的效果“略显夸张”。

据悉,这项考察接纳的是弱引力透镜方式。这种方式通过丈量光经由天体时流传路径的弯曲来推算宇宙的物质漫衍。这与另一项名为重子振荡光谱考察(BOSS)的单独研究对星系群的考察相结合,提供了对暗物质漫衍的正确丈量。

若是这些发现是准确的,它们可能会有一些普遍的影响。这可能意味着,大尺度上的引力与人们想象的差别,正如爱因斯坦广义相对论所展望的那样,物质落入宇宙麋集区域的速率比预期的要慢。又或者,人们对暗能量的明白还远远不够,由于暗能量被以为是造成宇宙加速膨胀的“幕后推手”。

然则,这一考察效果现在仍存争议。冯磊以为,虽然这个项目连续7年考察了3000万个星系,约占宇宙的5%,但也有一种可能是这5%的空间恰恰是对照平均的,以是还需要其他天区的相关数据举行对比,才气更好地确定宇宙的平均性。

由于这一考察效果来得极其突然,全球的天文学家在震惊之余还没有开展响应的研究。“若是这一效果被证实是对的,那么我们就要反过来思索广义相对论和宇宙学参数是否需要修改。”冯磊告诉记者,这可能会推翻人们对宇宙演化的明白。