宇宙有多重？两次计算答案截然不同让科学家慌了，宇宙学标准模型或被颠覆

两种完全不同的“衡量”宇宙的方法产生了截然不同的结果。如果更精确的测量不能解决这个差异，物理学家可能不得不修改宇宙学的标准模型，这是我们对宇宙最好的描述。

德国波鸿鲁尔大学的天文学家亨德里克·希尔德布兰特（Hendrik Hildebrandt）说:“如果这真的是标准模型崩溃的一瞥，那将是潜在的革命性的。”

过去几年，对所谓的哈勃常数(即宇宙膨胀的速度)的两次独立计算，也引发了人们对标准模型正确性的类似担忧。这两个测量结果也不一致，产生了所谓的哈勃张力。

这种新的差异被称为sigma- 8张力，它涉及测量宇宙中物质的密度和聚集的程度，而不是均匀分布。结果被封装在一个名为sigma- 8的参数中。为了计算sigma- 8，希尔德布兰特和他的同事们转向了一种弱引力透镜效应，在这种效应中，来自遥远星系的光线由于星系和地球之间的物质的引力而发生稍稍弯曲。

由此产生的变形非常小，几乎不会改变单个星系的形状。但是如果你把天空中成千上万个星系的形状平均起来，就会出现微弱的透镜效应。假设星系相对于地球的方向是随机的，它们的平均形状应该接近圆形——也就是说，没有弱透镜效应。但由于这种效应的轻微扭曲，平均形状转而向椭圆倾斜。

天文学家们利用这一信号来估计中间物质(包括正常物质和暗物质)的数量和分布，这些物质沿着不同的视线分布到天空中不同的星系。换句话说，他们设法测量了物质的宇宙密度。

但要做到这一点，还需要更多的信息：每个被研究的星系之间的距离。通常情况下，天文学家通过发现另一个星系的光谱红移来计算它与另一个星系的距离，红移是指星系的光向光谱中较长的红色波长偏移的量。红移越大，物体越远。

然而，在处理数百万个星系时，测量单个光谱的红移是极其低效的。因此，希尔德布兰特的团队采用了一种名为“光度红移”的方法，即以不同波长、跨越光学和近红外波段拍摄同一块天空的多幅图像。研究人员利用这些图像来估计每个星系的红移。“它们不像传统的光谱红移那么好。”希尔德布兰特说，“但就望远镜的时间而言，它们的效率要高得多。”

在整个分析过程中，研究小组使用了9个波长波段(4个可见光波段和5个近红外波段)的数百平方度天空(满月直径约半度)的高分辨率图像。这些对大约1500万个星系的观测是由欧洲南方天文台的千度测量(KiDS)和VISTA千度红外星系测量(VIKING)通过该组织位于智利的帕拉纳天文台的两个小型望远镜收集的。

VIKING的数据支持了KiDS的数据集，提供了近红外波段对同一天空区域的多次观察。一个星系的距离越远，它远离我们的速度就越快。这导致更多的星系光线被红移到近红外范围，因此仅仅依靠光学观测是不够的。红外测量可以捕捉到更多来自这些星系的光，从而更好地估计它们的光度红移。

为了确保光度红移是尽可能准确的，这些观测结果是根据光谱红移测量进行校准的，这些红移测量是由帕拉纳尔的8米超大望远镜和夏威夷莫纳克亚山的10米凯克望远镜进行的。

约翰霍普金斯大学的天体物理学家、诺贝尔奖得主亚当·里斯对KiDS研究人员的努力表示赞赏。他说:“他们最新的结果使用了红外数据，这可能在追踪镜头的质量和获得可靠的光度红移方面做得更好。” 

利用覆盖了大约350平方度天空的综合数据，天文学家们估计了sigma- 8。他们发现的数值与欧洲航天局普朗克卫星对宇宙微波背景辐射(CMB)的观测值相冲突，CMB是宇宙中最早的可观测光，在大爆炸后约38万年发出。普朗克绘制了宇宙微波背景辐射在天空中点对点的温度和偏振的变化。宇宙学家可以利用这张图来计算早期宇宙的sigma- 8值。利用宇宙学的标准模型(宇宙由5%的普通物质，27%的暗物质和68%的暗能量组成)，他们可以推断出130亿年的宇宙演化过程，从而估算出今天的sigma- 8的价值。

这就是张力。希尔德布兰特的弱透镜研究估计sigma- 8约为0.74，而普朗克的数据约为0.81。希尔德布兰特说:“大约有百分之一的可能性，这种[张力]是一种统计上的波动。”统计波动是数据中的随机噪声，可以模拟实际信号，也可以随着数据的增加而消失。“这还不是需要担心到完全失眠的事情。”

无论如何还没有。在一个或两个团队的计算中也可能存在系统性的错误。在研究人员发现任何此类错误之后，这种差异可能就消失了。

或者它可能不会这样做，这就是哈勃张力的例子。随着天文测量变得越来越精确，哈勃望远镜的张力的统计意义只会越来越大，让不少焦虑的理论家彻夜难眠。 “我们的sigma- 8差异可能会发生非常类似的事情。” 希尔德布兰特说，“我们不知道。”

里斯领导的一个团队利用附近宇宙超新星的测量值来估计哈勃常数，他把sigma- 8的张力比作“哈勃张力的弟弟或妹妹”。这种差异现在被认为具有统计学意义，不超过350万分之一的几率是侥幸。sigma- 8的张力，有百分之一的概率是统计失常，就像几年前哈勃的张力一样。“所以(它)不那么重要，但值得关注，寻找可能的联系。”里斯说。

如果sigma- 8张力上升到与哈勃张力相同的统计相关性水平，那么重新评估宇宙学标准模型的压力可能会大到不容忽视。在这一点上，宇宙学家可能不得不求助于新的物理学，使普朗克估计与当今宇宙参数的直接测量保持一致。“这将是一个令人兴奋的选择。”希尔德布兰特说。

对标准模型的潜在“新物理”修正可能包括改变暗能量或暗物质(或两者)的数量和性质，以及调整它们之间以及与正常物质之间的相互作用方式，以及其它更奇异的修正。“对宇宙模型进行修补以固定哈勃常数张力的一些理论解决方案使这种(sigma- 8张力)变得更糟。有些人做得更好。”里斯说。

希尔德布兰特也认为目前还没有明显的解决方案。 “如果有一个令人信服的模式，或许人们会跟风。” 他说，“但是现在，我不认为有。我们这些观察人士真的有责任改善(sigma- 8张力)的重要性，或者反驳它。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.livescience.com/how-heavy-is-universe-debate.html