挑戰宇宙學支柱?新研究:宇宙各向膨脹速率可能不均

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 12 日 9:09 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


日出日落、四季交替,我們觀察著這世界並努力摸索宇宙的運轉規則,其中一個支撐宇宙學的基礎理論認為,宇宙在各個方向應該都以相同的速度膨脹。然而最近新的 X 射線觀察數據表明,這個關鍵大前提可能出現了裂縫。

在各種科學實驗與觀測資料的支持下,基礎物理學描述了時間、空間、我們的宇宙如何運轉等概念。天文學家普遍認為,宇宙在大爆炸發生後不到 1 秒鐘的時間內瞬間膨脹綿延數十億光年,可以拿烘焙葡萄乾麵包來比喻,隨著整個麵包(代表空間)在烘焙過程中膨脹,葡萄乾(代表星系、星系團之類的物體)也彼此遠離。

2013 年時,歐洲太空總署(ESA)公布普朗克衛星製作的宇宙微波背景(CMB)圖,這種輻射的均勻分布支持了早期宇宙在大爆炸後往各個方向均勻擴展的假設,即各向同性(isotropy),僅某些方向出現很小的溫度變化,但整體來看,CMB 分布非常均勻;直到 138 億年後的今天,宇宙也依然在擴展中,只是速度慢得多。

然而在當今宇宙,各向同性可能不再成立?來自德國波恩大學、美國哈佛大學的團隊研究了當今宇宙 800 多個星系團,假如各向同性理論正確無誤,那麼各星系團的各特徵應該相差無幾;但實際上,最新研究結果出現了明顯差異,與宇宙學中最基本的假設有所出入。

研究團隊利用 XMM-牛頓衛星、錢卓拉 X 射線天文台、倫琴衛星(ROSAT)收集遍布星系團內的極熱氣體,接著與星系團的亮度進行比較,照理說,溫度相同且距離我們差不多近的星系團,看起來應該差不多亮。

然而天文學家看到的卻是:一些溫度相似且具有相同特徵的星系團,在某個方向觀測的亮度卻較弱、而另一方向觀測的亮度則比預期中還要亮,兩者差異高達 30%。

研究人員一開始設想,也許在觀測路徑上存在一些以前未檢測到的氣體塵埃雲、吸收了一些 X 射線,以至於某個區域的星系團顯得較暗?但是數據無法支持這個論點。

那有可能是星系團被其他星系團拉動、導致給人膨脹速率不同的錯覺嗎?研究人員表示,如果空間尺度小,或許能藉此平淡解釋帶過,但新研究觀測的星系團彼此距離最遠可達 50 億光年,我們不清楚星系團的引力拖曳影響力是否如此之大。

未參與研究的牛津大學物理學家 Subir Sarkar 認為,數據本身與期望值確實有明顯偏差,如果再綜合其他觀察遙遠紅外星系、超新星的數據,看起來宇宙有可能真的是各向異性(anisotropy,也稱非均向性)——並非均勻膨脹,而是不同方向有不同的膨脹速率。

假如膨脹速率確實存在差異,或將引發人們重新思考宇宙運作的方式,比如暗能量。研究人員說,這種能量形式可能在某些區域更強、某些區域較弱,從而導致宇宙在不同地方以不同的速度膨脹。

新論文發表在《天文與天體物理學報》(Astronomy and Astrophysics),論文預印本可上《arXiv》網站閱覽。

(首圖來源:NASA