宇宙学正处于转折点

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-12-14 11:50

正文

近些年，宇宙学这门成熟学科在一系列激烈争论中大受震动。从业者发现，标准宇宙模型的预测竟然与一些观测结果看起来不一致。

是观测数据有偏差吗？抑或，我们需要重新审视那预测着整个宇宙结构及其演化的标准模型？两方争论不休，甚至有人声称宇宙学已处危机之中。当然科学从未缺少争论。目前仍不清楚哪方正确，但我们即将找到答案。

哈勃张力：一致性模型的不一致

标准宇宙学模型表明，宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质以及4.9%的普通物质组成。这些比例根据针对宇宙微波背景辐射（大爆炸辐射的“余晖”）的精确测量而得出。

模型非常成功地解释了宇宙大尺度和小尺度上的大量数据，例如我们周围星系的分布以及宇宙诞生后最初几分钟内产生的氦和氘的数量。最关键之处或许在于，它完美解释了宇宙微波背景辐射，这也使得它获得了“一致性模型”的美誉。然而，针对哈勃常数不一致的测量结果引发“哈勃张力”，使得“一致性模型”的有效性遭受质疑。

哈勃常数描述当前宇宙的膨胀率。此前科学家借助哈勃望远镜并基于人称“量天尺”的造父变星的周光规律测得哈勃常数值为73.5 km/(s·Mpc)：一个星系与地球的距离每增加1 Mpc，即百万秒差距，约330万光年，其远离地球的速度就增加73.5公里每秒。（周光规律指造父变星具有的光变周期和绝对星等之间的关系。概括地说，就是造父变星的光变周期越长，其光度越大。）

理论预测的哈勃常数则为67.4 km/(s·Mpc)。两者差异看起来不大，仅8%，但它具有统计意义。

大约十年前，哈勃张力就已为人所知。当时人们觉得有理由认为观测结果存在偏差。举个例子，造父变星虽然非常明亮且易于观测，但它们与其他恒星挤在一起，这可能使它们看起来更亮，从而人为地造成“张力”，导致哈勃常数比模型预测高出几个百分点。

随着能将恒星单拎出来观测的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的出现，学界有望克服偏差。但这一理想目前仍未实现。

除了造父变星，天文学家还会利用另外两种类型的恒星，即红巨星分支尖端（TRGB）和J区渐近巨星分支（JAGB）。有团队报告了来自JAGB恒星和TRGB恒星的非常接近宇宙学模型预期值的数值。不过另一组人马称他们仍看到观测结果不一致。另一方面，造父变星的测量结果也继续体现哈勃张力的存在感。

值得注意的是，尽管种种测量非常精确，但它们依然可能受制于各测量类型特有的一些影响，观测的准确性当然也由此受各种不同形式的影响——对每种类型的恒星而言皆是如此。精度高但又不准确的测量，就像一个总是抓不住重点的谈话对象。

我们既要高精度，又要准确性。好消息是，未来一年左右的时间里，答案或许就会出现。提高数据准确性（例如通过纳入来自更远星系的恒星）将有助于解决问题。对时空涟漪（即引力波）的测量也将帮助我们确定哈勃常数。

S8张力与更多挑战

除了哈勃张力，另一个“S8张力”也是棘手问题。（S8即sigma-8，衡量暗物质的聚集度。）

这种张力与宇宙中物质的“团块状”有关。根据标准模型预测，宇宙中物质会比我们实际观察到的更具“聚集性”——高出约10%。有多种方法可测量物质的聚集性，例如分析来自星系的光的扭曲程度；之所以扭曲变形，是因为我们假设的暗物质发挥了作用。

现阶段学界的共识是，在排除宇宙学模型之前，必须先解决观测中的不确定性问题。观测结果与模型预测不一致，或许源于我们对星系中气体风的认知不足；星系风能将一些物质推出星系，影响物质分布状态，也就是聚集程度。

理解小尺度上团块测量值与大尺度上团块测量值之间的关系，将对研究者大有帮助。观测结果似乎也表明，我们需要改变暗物质的建模方式。例如，如果暗物质并非完全由冷的、缓慢移动的粒子组成（如标准模型所假设的那般），而是与一些热的、快速移动的粒子混合在一起，这就可能减缓宇宙的团块聚集速度，从而缓解S8张力。

韦布空间望远镜指出了标准模型面对的更多挑战。其中之一是早期星系质量似乎远大于预期。一些形成于大爆炸后不到10亿年间的早期星系按理说相对轻巧，但实际上它们的质量可能与今天的银河系同级别。

JWST和Chandra望远镜观测到的恒星形成区域

解决上述问题的关键是改进对星系中恒星质量的测量方式。目前我们无法直接测量星系的质量，只能通过分析星系发出的光来推测。此过程涉及一些简化假设，这可能导致对质量的过高估计。另有研究者认为，从这些星系中发出的部分光来自黑洞而非恒星。

“新物理学”的未来

通过更高水平的观测活动，实践与理论间矛盾或在一定程度上得到解释。但困扰宇宙学模型的全部疑问会否被解决，是一个巨大疑问。

如何完美地修正这套模型？学界一直不缺相关理论思想，少说也有几百种，而且还不断增加着。但这项任务“水太深”了，大多数理论家都把握不住。

或许我们应改变对暗能量性质的假设。

或许它是一个随时间变化的参数，最近的测量结果也已表明这点。或许，我们要往模型里添加更多暗能量，推进宇宙在早期和晚期的膨胀。此外，修改引力在宇宙大尺度上的行为方式似乎也是一种选择。

然而到目前为止，各种替代理论都还无法解释标准模型所解释的大量观测结果。更不利的是，某些理论在缓解一处冲突的同时，加剧了另一种矛盾。另一方面，宇宙学的最基本原则开始受到挑战。例如，我们可能要放弃“宇宙在大尺度上均匀且各向同性”的假设——该假设意味着宇宙在所有观察者眼中都一样，不存在特殊点。还有人建议修改广义相对论。种种激进、奇特的理论为检验“新物理学”提供了沃土。

未来几年里，韦布空间望远镜、暗能量光谱仪、维拉·鲁宾天文台和欧几里得望远镜等强大观测工具将帮助我们找到长期寻求的答案。

更精确的数据和对测量中系统性不确定性的更深入理解，有望帮助我们解决标准模型面对的矛盾，甚至使它更准更强更新。宇宙学也将成为一门既有精度又准确无误的科学。

假若事态向着相反方向前进，科学家将进入未知领域，必须寻找全新的物理学。这可能引发宇宙学的重大范式转变，类似于1990年代末发现宇宙加速膨胀。

来源：世界科学

编辑：潇潇雨歇

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓