利用普朗克衛(wèi)星的早期數(shù)據(jù)繪制的宇宙微波背景輻射圖像

北京時(shí)間11月7日消息，我們已知關(guān)于宇宙形狀的一切可能都是錯(cuò)的。根據(jù)一項(xiàng)新的研究，宇宙可能不是像床單一樣平坦，而是像一個(gè)巨大的氣球一樣彎曲，而且這個(gè)氣球還在不斷膨脹。

這是11月4日發(fā)表在《自然-天文學(xué)》(Nature Astronomy)雜志上的一篇論文的結(jié)論。該論文研究了宇宙微波背景(CMB)的數(shù)據(jù)，這是大爆炸遺留下來(lái)的微弱熱輻射。然而，并不是所有人都信服這項(xiàng)新研究。研究人員的發(fā)現(xiàn)基于2018年發(fā)布的數(shù)據(jù)，既與多年來(lái)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相悖，也與最近另一項(xiàng)基于同一宇宙微波背景數(shù)據(jù)集的研究矛盾。

這篇新論文稱，如果宇宙是彎曲的，那這種彎曲會(huì)十分平緩，對(duì)我們的生活，或者太陽(yáng)系甚至銀河系的移動(dòng)都不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。但是，如果我們走出銀河系，深入到黑暗太空中，一直以直線行進(jìn)，那么最終你會(huì)繞一個(gè)圈，回到開(kāi)始的地方。宇宙學(xué)家將這一概念稱為“封閉宇宙”。盡管已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但封閉宇宙的概念并不符合現(xiàn)有的宇宙運(yùn)行理論，因此在很大程度上被科學(xué)家拒絕，取而代之的是所謂的“平坦宇宙”。在平坦宇宙中，宇宙向各個(gè)方向延伸，沒(méi)有邊界，也不圍繞自身循環(huán)。現(xiàn)在，研究人員在測(cè)量宇宙微波背景時(shí)得到了異常的數(shù)據(jù)資料，為封閉宇宙觀點(diǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的(但不是絕對(duì)的)證據(jù)。

梅爾基奧里在接受采訪時(shí)表示，開(kāi)放宇宙就像一條被拉伸的床單，而封閉宇宙則更像一個(gè)膨脹的氣球。無(wú)論哪種情況，整個(gè)宇宙都在擴(kuò)張。當(dāng)床單展開(kāi)時(shí)，每個(gè)點(diǎn)都在一條直線上遠(yuǎn)離另一個(gè)點(diǎn);當(dāng)氣球膨脹時(shí)，其表面的每個(gè)點(diǎn)也離其他點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)，但由于氣球的曲率，使這種遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)的幾何學(xué)更加復(fù)雜。

“這意味著，如果有兩個(gè)光子，當(dāng)它們?cè)谝粋€(gè)封閉的宇宙中平行移動(dòng)時(shí)，它們(最終)會(huì)相遇，”梅爾基奧里說(shuō)道。但是，如果是在一個(gè)開(kāi)放、平坦的宇宙中，光子在不受干擾的情況下，會(huì)一直沿著平行方向運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)相互作用。

梅爾基奧里表示，傳統(tǒng)的宇宙膨脹模型表明，宇宙應(yīng)該是平的。當(dāng)我們回溯到宇宙膨脹的開(kāi)始，到大爆炸后最初的0.0000000000000000000000001秒，根據(jù)大爆炸模型，你會(huì)看到一個(gè)難以置信的時(shí)刻：宇宙從最初那個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)開(kāi)始爆發(fā)，然后以指數(shù)級(jí)膨脹。迅速膨脹的物理學(xué)模型指向的是一個(gè)平坦的宇宙，這也是大多數(shù)科學(xué)家支持“平坦宇宙”的首要原因。

梅爾基奧里指出，如果宇宙并不平坦，你就必須“微調(diào)”原始機(jī)制的物理原理，使其完全吻合，并在此過(guò)程中重新進(jìn)行無(wú)數(shù)其他的計(jì)算。研究人員在新研究中寫道，這一過(guò)程最終很可能是必不可少的，因?yàn)橛钪嫖⒉ū尘皵?shù)據(jù)出現(xiàn)了異常。

宇宙微波背景輻射是我們?cè)谟钪嬷心芴綔y(cè)到的最古老的東西，由微弱的熱輻射(微波)構(gòu)成。當(dāng)你把恒星、星系和其他干擾阻擋在外時(shí)，宇宙微波背景輻射就會(huì)充滿整個(gè)空間。宇宙微波背景是關(guān)于宇宙歷史和行為最重要的數(shù)據(jù)來(lái)源之一，因?yàn)樗爬狭?，而且遍布整個(gè)宇宙。根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，宇宙微波背景輻射的“引力透鏡效應(yīng)”比預(yù)期的要大得多，這意味著引力對(duì)宇宙微波背景輻射的彎曲作用似乎超過(guò)了現(xiàn)有物理學(xué)所能解釋的范圍。

研究團(tuán)隊(duì)利用的數(shù)據(jù)來(lái)自于2018年發(fā)布的普朗克衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)。這是歐洲空間局(ESA)的一項(xiàng)科學(xué)計(jì)劃，旨在盡可能更詳細(xì)地繪制宇宙微波背景輻射。新的數(shù)據(jù)將發(fā)表在即將出版的《天文學(xué)與天體物理學(xué)》(Astronomy & Astrophysics)雜志上，目前已經(jīng)可以在歐洲空間局的網(wǎng)站上找到。迪·瓦倫蒂諾和梅爾基奧里也參與了這項(xiàng)計(jì)劃。

為了解釋額外的引力透鏡現(xiàn)象，普朗克衛(wèi)星協(xié)作團(tuán)隊(duì)在該研究小組的宇宙形成模型中加入了一個(gè)額外的變量，科學(xué)家稱之為“A_lens”。梅爾基奧里表示，這個(gè)變量是另外放進(jìn)去的，用來(lái)解釋所看到的異?，F(xiàn)象，和物理學(xué)沒(méi)有關(guān)系。換句話說(shuō)，在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中并沒(méi)有A_lens這個(gè)參數(shù)。“我們發(fā)現(xiàn)，A_lens可以用正曲率的宇宙來(lái)解釋，這比用廣義相對(duì)論來(lái)解釋的更符合物理學(xué)，”梅爾基奧里說(shuō)道。

梅爾基奧里還指出，這種解釋并不是結(jié)論性的。根據(jù)研究小組的計(jì)算，普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)指向正曲率宇宙(即封閉宇宙)的顯著性水平超過(guò)99%。

不過(guò)，一些宇宙學(xué)家表示，這項(xiàng)研究還有很多值得懷疑之處。美國(guó)斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家安德烈·林德(Andrei Linde)表示，《自然-天文學(xué)》雜志的論文沒(méi)有考慮到10月1日發(fā)表在arXiv數(shù)據(jù)庫(kù)上的另一篇重要論文(該論文尚未發(fā)表在同行評(píng)議期刊上)。那篇論文的作者，劍橋大學(xué)的宇宙學(xué)家喬治·埃夫斯塔西奧(George Efstathiou)和史蒂芬·格拉頓(Steven Gratton)也參與了普朗克合作項(xiàng)目，他們研究的數(shù)據(jù)要少于梅爾基奧里等人發(fā)表在《自然-天文學(xué)》的論文。他們的分析結(jié)果也支持了一個(gè)彎曲的宇宙，但與這項(xiàng)涉及更多普朗克數(shù)據(jù)的新研究相比，他們的統(tǒng)計(jì)可信度要低得多。然而，當(dāng)埃夫斯塔西奧和格拉頓將這些數(shù)據(jù)與其他兩個(gè)早期宇宙的現(xiàn)有數(shù)據(jù)集一起研究時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)，總體而言，這些證據(jù)指向了一個(gè)平坦的宇宙。

當(dāng)被問(wèn)及如何評(píng)價(jià)埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文時(shí)，梅爾基奧里稱贊他們對(duì)數(shù)據(jù)的精心處理，但表示兩人的分析所依賴的普朗克數(shù)據(jù)片段太少。他還指出，他們的研究基于改良版的普朗克數(shù)據(jù)，而不是600多名物理學(xué)家審查過(guò)的公共數(shù)據(jù)。

安德烈·林德則認(rèn)為，這種重新分析表明，埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文基于更好的方法。埃夫斯塔西奧在一封電子郵件中指出，如果宇宙是彎曲的，那將會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題，與其他早期宇宙的數(shù)據(jù)集和膨脹觀測(cè)結(jié)果相矛盾。

梅爾基奧里也認(rèn)為，封閉宇宙模型會(huì)給物理學(xué)帶來(lái)很多問(wèn)題。“我不想說(shuō)我相信宇宙是封閉的，”他說(shuō)，“我比較中立。我會(huì)說(shuō)，讓我們等待現(xiàn)有數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)能說(shuō)明什么吧。我認(rèn)為現(xiàn)在的結(jié)果存在矛盾，我們必須很小心地找出造成這個(gè)矛盾的原因。”(任天)