宇宙有多重？宇宙学标准模型可能崩溃需要重写

据国外媒体报道，近年来的研究预示着，宇宙学的标准模型可能需要重写。两种截然不同的宇宙“称量”方法产生了迥异的结果，而如果更精确的测量不能解决这一差异，物理学家可能不得不修改宇宙学的标准模型——我们目前描述宇宙的最合理模型。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：“如果这真的预示了标准模型的崩溃，那将很可能是革命性的。”

在观测某一片天空中多个星系丰富的区域时，天文学家可以利用弱引力透镜效应信号来估计中间物质（包括常规物质和暗物质）的数量和分布。（哈勃资料图，来自：NASA，原文 via Live Science）

过去几年，对所谓的哈勃常数（即如今宇宙膨胀的速度）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。这两次测量结果并不一致，二者的差异也被称为“哈勃冲突”（Hubble tension）。

新的宇宙称量结果之间的差异被称为“sigma- 8冲突”（sigma-eight tension），涉及测量宇宙中物质的密度和聚集的程度。该结果以一个名为sigma- 8的参数来描述。为了计算sigma- 8，希尔德布兰特和同事们采用了“弱引力透镜效应”进行测量。在这种效应中，来自遥远星系的光线由于星系和地球之间物质的引力作用而稍稍向地球的望远镜弯曲。

由此产生的变形非常微小，几乎不会改变单个星系的形状。但是，如果你将某片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，那它们的平均形状应该接近圆形。换言之，如果没有弱透镜效应，星系的平均形状将是圆形的；但由于这种效应的轻微扭曲，星系的平均形状转而向椭圆倾斜。

在观测某一片天空中多个星系丰富的区域时，天文学家可以利用弱引力透镜效应信号来估计中间物质（包括常规物质和暗物质）的数量和分布。换句话说，他们设法对宇宙的物质密度进行了测量。

不过，精确的测量还需要更多的信息，首先就是每个被研究的星系之间的距离。通常情况下，天文学家通过测量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，物体离观测者就越远。

然而，在处理数以百万计的星系时，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（从光学波段到近红外波段）拍摄同一片天空的多幅图像。研究人员利用这些图像来估计每个星系的红移。“它们的效果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（满月直径约为半度）的高分辨率图像。这些图像涉及大约1500万个星系，由欧洲南方天文台的“千度巡天”（Kilo-Degree Survey，简称KiDS）和“VISTA千度红外星系巡天”（VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey，简称VIKING）采集，利用的是欧南台位于智利帕瑞纳天文台的两台小型望远镜。

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测结果。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。红外观测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。

为了确保光度红移尽可能准确，天文学家根据少数相同星系的光谱红移测量结果对这些观测结果进行了校准。这些光谱红移测量是由帕纳瑞天文台的8米甚大望远镜（VLT）和夏威夷莫纳克亚山的10米凯克望远镜完成的。

美国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（Adam Riess）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，在追踪透镜效应规模，以及获得可靠的光度红移方面，这可能效果更好。”

利用覆盖了大约350平方度天空的综合数据，天文学家估计了参数sigma- 8的大小。他们发现的数值与欧洲空间局普朗克卫星对宇宙微波背景辐射（CMB）的观测值相冲突。CMB被认为是宇宙中最早的可观测光，在大爆炸后约38万年时发出。普朗克卫星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。利用这张图，宇宙学家就可以计算早期宇宙的sigma- 8值。再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），他们就可以推算出超过130亿年的宇宙演化过程，从而估算出今天的sigma- 8值。

冲突便由此而来。希尔德布兰特的弱透镜效应研究估计sigma- 8约为0.74，而普朗克卫星的数据显示这个值约为0.81。希尔德布兰特说：“大约有百分之一的可能性是，这种（冲突）是一种统计涨落。”统计涨落相当于数据中的随机噪声，可能与实际信号相似，也可能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。”

确实还没有到这种程度。在一个或两个团队的计算中也可能存在系统性的误差。在研究人员发现任何此类误差之后，这种冲突可能就消失了。

结果也可能不会如此，正如所谓的“哈勃冲突”。随着天文测量变得越来越精确，哈勃冲突的统计显著性只会越来越大，让不少焦虑的理论物理学家彻夜难眠。“sigma- 8冲突可能也会发生非常类似的情况，”希尔德布兰特说，“一切都是未知数。”

亚当·里斯领导的一个团队利用对邻近宇宙中超新星的测量值来估计哈勃常数，他把sigma- 8冲突比作“哈勃冲突的弟弟或妹妹”。现在认为，这种冲突具有统计学意义，纯属意外的概率不超过350万分之一。sigma- 8冲突是统计偏差的概率只有百分之一，几年前的哈勃冲突也是如此。“所以它其实还没有那么显著，但值得关注，寻找可能的联系，”里斯说道。

如果sigma- 8冲突上升到与哈勃冲突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就会大到不容忽视。在这一点上，宇宙学家可能不得不求助于新的物理学，使普朗克卫星的估计值与如今对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，”希尔德布兰特说道。

对标准模型的潜在“新物理学”修正可能包括改变暗能量或（和）暗物质的数量和性质，以及调整它们之间，以及与常规物质之间的相互作用方式，甚至包括其他更奇异的修正。里斯说：“一些改进宇宙模型以解决哈勃常数冲突的理论使这一切（sigma- 8冲突）变得更糟。有些理论则做得更好。”

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型，或许人们会跟风，”他说，“但是现在，我不认为有这样的模型。作为观测者，我们真的有责任提高（sigma- 8冲突）的显著性，或者证伪它。”