世界观点：物质分布新地图重塑人类宇宙观：宇宙就像一团肥皂泡？

• 2023-02-22 20:57:30 来源：凤凰网

参考消息网2月22日报道美国今日宇宙网站2月7日刊登题为《天文学家绘制了宇宙中所有物质的新地图》的文章。内容编译如下：

宇宙中有很多物质，但并不是所有的物质都对我们可见。从本质上说，物质是任何具有质量并占据空间的东西。这包括我们、行星、恒星、星云和星系，它还包括暗物质。暗物质分布在整个宇宙空间中。

【资料图】

物质是均匀分布还是聚集成团？或者它还有其他的布局方式？为了具体回答这些问题，天文学家绘制了物质图并将其与宇宙的理论模型进行了比较。他们是怎么做到的？第一步是建造望远镜，用它们进行观测并收集有关可观测宇宙的大量数据。对物质分布的测量需要专门的仪器来检测来自遥远宇宙的微弱信号。

芝加哥大学和费米国立加速器实验室的一个研究小组使用了两个不同的望远镜和普朗克宇宙探测器的数据来制作最新的宇宙物质图。他们的观察结果是这样的：宇宙中的物质并不像模型所预测的那样呈块状。也就是说，它并不是完全均匀地分布，这意味着它在某些区域的聚集程度高于其他区域。虽然这听起来不是很精确，但它在了解构成我们宇宙的所有“物质”的分布方面向前迈出了一大步。

漫长历史

物质分布的故事始于大约137亿年前的大爆炸时刻。那一刻，所有的物质都被创造出来了。自那时起，它就随着宇宙的膨胀而扩散开来。在这个过程中，物质冷却并聚集成块。这种聚集意味着宇宙不一定是均匀分布的。我们可以从大量星系聚集成今天的星系团和超星系团中看出这一点。

天文学家也可以观测到早期宇宙中的分布“聚集”，他们是通过观察微波背景辐射的波动观测到的。那是来自大爆炸的非常微弱的光，被红移到了光谱的微波部分。普朗克任务测量了整个微波背景的温度变化，它并不是完全平稳和均匀的。那束光是在宇宙“黑暗时代”（那时宇宙仍然太热，充满等离子体，无法让光传播）之后首次发出的。随着物质冷却下来，当光线终于可以通过时，那就是宇宙的“黎明”时刻。

随着时间的流逝，宇宙继续膨胀和冷却，物质开始聚集，随着物质引力的拉动，波动变得越来越密集，规模越来越大。最终，第一批恒星、星系和其他结构诞生了。因此，物质分布从宇宙的最早时刻到我们现在所见的丰富性的演变。

通过对测量数据进行分析，科学家们可以推断出宇宙中所有物质现在的位置。还有更多好消息：研究结果与目前最广为接受的宇宙理论完全吻合。但这并不是说科学家们眼下能够完全理解为什么现在物质会这样分布。

事实上，还有一个小问题。夏威夷大学天体物理学家埃里克·巴克斯特说：“目前宇宙的波动似乎比我们根据早期宇宙的标准宇宙学模型所预测的要少一些。”他指的那些波动是物质分布的“团块”。如果你将支配宇宙的所有物理定律考虑在内，并将它们从大爆炸的第一刻向前推论到现在，宇宙看起来应该与我们现在实际看到的略有不同。

这听起来不是什么大问题，但这可能意味着现有的宇宙模型中缺少一些天文学家需要找到的东西。尽管如此，这两项测量还是在理解物质分布方面向前迈出了一大步。它们不仅向天文学家展示了物质现在的位置，而且还标志着天文学家进行此类研究的方式发生了变化。“我认为这个尝试显示了进行此类分析所面临的挑战和所带来的好处，”研究共同主要作者、芝加哥大学的天体物理学家张芷维说，“当你将这些观察宇宙的不同角度相结合时，你就可以做很多新的事情。”

如何绘制

另据美国趣味科学网站2月2日报道，科学家们绘制出了最精确的宇宙物质地图之一，它表明，我们最好的宇宙模型中可能缺少了某些东西。

这张新地图是通过汇集两台观察不同类型光的望远镜的数据创建的，它显示，宇宙不像以前的模型预测的那样“多块”——这可能说明，我们对连接星系的巨大宇宙网的了解不如科学家想象的那么多。

为了绘制出宇宙网是如何旋转的，研究人员结合了智利的暗能量观测站（该观测站在2013年至2019年扫描了近紫外线、可见光和近红外频率的天空）以及南极望远镜（该望远镜位于南极洲，旨在研究构成宇宙微波背景的微波辐射，也就是宇宙中最古老的光）的观察结果。

尽管它们观察的是不同波长的光，但这两种望远镜都使用一种称为引力透镜的技术来绘制物质团块图。当一个巨大的物体位于我们的望远镜和它的观测源之间时，就会发生引力透镜效应；来自既定空间的光看起来越扭曲，该空间中的物质就越多。这使得引力透镜成为追踪普通物质及其神秘亲戚暗物质的绝佳工具，暗物质尽管占了宇宙的85%，但它不会与光相互作用，除了在通过引力将其扭曲的情况下。

通过这种方法，研究人员使用两台望远镜的数据来查明物质的位置，并通过将一台望远镜的数据与另一台望远镜的数据进行比较来消除其中的错误。

“它的功能就像一种交叉核对，因此相比只使用其中一个或另一个，这种测量方法更可靠。”研究共同主要作者、芝加哥大学的天体物理学家张芷维在声明中说。

根据我们目前的理解，宇宙网是由氢气和暗物质铺就的纵横交错的天体高速公路构成的巨大网络。这个网络在大爆炸后的混乱中成形，网络的卷须状物在年轻宇宙的汹涌混沌形成为团块；在网络的多股交叉处，最终形成了星系。

修正模型

这张宇宙物质新地图1月31日以一组三篇论文的形式发表在《物理评论D》杂志上，新地图显示，在宇宙的许多区域，物质较少聚集在一起，而是比理论预测的更均匀地散布开来。

研究人员制作的宇宙物质图非常符合我们对宇宙演化方式的理解，除了一个关键的差异：它比宇宙学的标准模型所提示的分布更均匀，聚集更少。

根据宇宙学的标准模型，宇宙在大爆炸之后开始形成，当时年轻的宇宙充满了物质和反物质的粒子，它们突然出现，却又在接触时相互湮灭。宇宙的大部分构造块都以这种方式自行消失了，但时空结构的快速膨胀以及一些量子涨落意味着，一些原始等离子体群在各处幸存下来。

重力很快使这些等离子体群开始压缩自身，当物质被挤压得更近时，它们会被加热到这样一种程度，即声波会以光速一半的速度从等离子体团块中向外扩散。这些涟漪将尚未被吸引到团块中心的物质推开，最后以环绕中心的光环形式静止下来。那时，宇宙中的大部分物质都分布在无数宇宙空洞周围的一系列薄膜中，就像水槽里的一团肥皂泡。

一旦这种物质（主要是氢和氦）充分冷却，它就会进一步凝结，从而诞生第一批恒星，而这些恒星又通过核聚变形成越来越重的元素。

研究作者之一、夏威夷大学天体物理学家埃里克·巴克斯特在一份声明中说：“看起来，相比我们根据早期宇宙的标准宇宙学模型所做的预测，现在的宇宙少了一些波动。”

有两种可能性可以解释这种差异。第一种是，我们只是对宇宙的观察太不精确了，随着我们获得更好的观察宇宙的工具，与模型的明显偏差将会消失。第二种也是更重要的可能性是，我们的宇宙学模型缺少了一些重要的物理学现象。

要找出哪一种是正确的，我们将需要更多的交叉调查和绘图，以及对束缚宇宙肥皂泡的宇宙学约束的更深入理解。

“对于这种差异还没有已知的物理解释，”研究人员在其中一篇研究论文中写道，“调查之间的交互相关……将推动更有力的交互相关研究，这些研究将给出最精确和准确的宇宙学约束解释，这将使我们能够继续对（标准宇宙学）模型进行压力测试。”

标签： 天文学家

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