宇宙各向異性的理論還缺乏足夠堅實的證據

文章來源：環球科學

宇宙大尺度上的各向同性，即在各個方向上物質分布均勻、膨脹速率一致，是現代宇宙學的重要基石。不過最近，這一假說遭受了一批天文學家的挑戰。借助兩臺強大的X射線望遠鏡，以及一個經驗性的關系式，他們得出了頗具爭議的結論——宇宙在不同方向上的膨脹可能是不均勻的。不過，在另一些天文學家看來，這個令人興奮的結論，卻存在大量值得注意的疑點與漏洞。

挑戰宇宙各向同性

當我們用天文望遠鏡鎖定宇宙的一片區域，會觀察到什么景象?可能是一顆正在吞噬周圍物質的黑洞;可能是伸出旋臂，緩慢旋轉的旋渦星系;也可能是看似空無一物的星際空間。這些紛繁復雜的元素，共同構成了這個經歷了138億年演化的宇宙。但是，當我們的視野變得更加開闊，直至以數十億光年的尺度看待這個宇宙時，這時的宇宙單元依舊是如此豐富而變化多端嗎?

不。恰恰相反，無論我們將目光鎖定在宇宙的任何方向，宇宙都是一致、沒有任何變化的。這就是現代宇宙學的重要基礎——宇宙尺度上的各向同性。

宇宙的各向同性源自一個很自然的想法：在宇宙大爆炸之后的暴脹階段，宇宙空間向各個方向快速膨脹。在這個過程中，宇宙的不均一性被消除。而隨后的持續膨脹過程，在各個方向上也不應該存在任何特殊之處。

宇宙各向同性的設想，也得到了大量天文觀測數據的支持。尤其是當Arno Penzias和Robert Wilson捕捉到宇宙微波背景輻射(CMB)——宇宙大爆炸38萬年時遺留下的輻射印跡時，盡管在局部存在一些漲落，但它在宇宙尺度上均勻的分布，為宇宙各向同性的假說提供了重量證據。

不過最近，這一現代宇宙學的根基遭到了挑戰。提出質疑的是德國波恩大學與哈佛-史密森尼天體物理中心的一支聯合研究團隊，他們借助兩臺X射線天文望遠鏡——美國航空航天局(NASA)的錢德拉X射線望遠鏡，以及歐洲空天局(ESA)XMM牛頓望遠鏡的X射線觀測數據，提出了不同的觀點。

線性關系

這項研究關注的焦點，是星系團中的X射線。之前有研究發現，星系團的X射線光度，與彌漫在星系團中的高溫氣體的溫度，存在有趣的線性關系。基于這樣的經驗關系，天文學家得以通過這樣的思路推斷X射線源的距離——利用兩臺X射線望遠鏡，可以測出星系團中高溫氣體的X射線輻射，即氣體的溫度;而氣體溫度與X射線光度存在線性關系，因此溫度可以轉化為X射線光度，即X射線源的距離。注意，這里的距離是獨立于宇宙膨脹速率的。

此后，研究人員可以通過另一種手段測定這些星系團的距離——只不過，這種測量手段是與宇宙膨脹速率相關的。因此，當這兩種手段推斷出的星系團距離信息相結合，就能告知我們星系團所處區域的膨脹速率。如果我們擁有來自宇宙不同區域、數量足夠多的膨脹速率信息，就有機會驗證宇宙各向同性的猜想，或者，找到宇宙各向異性的蛛絲馬跡。

研究團隊利用當今兩臺最著名的X射線望遠鏡，獲得了共313個星系團的數據。其中包括錢德拉X射線天文臺在191天的曝光時間中，觀測到的237個星系團;以及XMM牛頓望遠鏡在35天內觀測到的76個。隨后，為了進一步驗證其結果，研究團隊還結合了此前XMM牛頓望遠鏡和ASCA宇宙學和天體物理學高新衛星的大量數據。這樣，共有近850個星系團的距離信息被用于這項分析。

在這些星系團數據的幫助下，研究人員果然有了令人欣喜的發現：正如下圖所示，在兩片區域，哈勃常數明顯偏離了平均值。其中，黃色區域的宇宙膨脹速率超出了預期;紫色區域的膨脹則比平均數值更慢。一言以蔽之，宇宙的各向同性被打破了。

暗能量分布不均?

如果作者的結論成立，這將是對現代宇宙學的一次強有力的沖擊。宇宙在大尺度上的各向異性，意味著我們對于宇宙基本結構的認知，還存在不完善的地方。那么，導致宇宙各向異性的因素可能是什么?

前面已經說到，宇宙微波背景輻射在大尺度上有著幾乎完美的均一性。物質在宇宙中的分布仍是均勻的，那么問題，可能來自占據宇宙總質量近70%的暗能量：暗能量，驅動宇宙加速膨脹的力量，自身可能不是均勻分布的。

也就是說，在暴脹產生早期宇宙之后，隨后的數十億年間，暗能量在整個宇宙中的分布并不是我們此前想象的那樣均勻——它在一些方向上更加密集，而另一些區域則較為稀薄。這樣的差異，造就了宇宙的“傾斜”。

這樣的假設并無不妥，因為暗能量本身就是天文學家為了解釋宇宙加速膨脹而提出的概念。對于暗能量的構成、分布等信息，我們至今認識有限。如果我們此前對宇宙膨脹空間分布的認識存在偏差，那么暗能量的分布方式自然可以隨之改變。

巨大爭議

看上去，我們正在見證一項令人激動的突破。這樣的可能性當然存在，但問題在于，這項研究的結論或許并不牢靠，甚至有著多項潛在的誤差來源。

首當其沖的，是研究方法本身。前文提到，這項研究使用的X射線光度與氣體溫度的線性關系，是基于經驗總結的。在論文圖表中，我們能夠看到，通過兩臺望遠鏡得到的關系斜率有所差異——這是一個非常危險的信號，因為兩者的關系不應該隨觀測工具的不同出現波動。還有科學家發現，相較于其他研究手段，通過星系團得出的結論往往存在不一致性，這為星系團研究的可靠性畫上問號。

約翰·霍普金斯大學的天文學家Adam Riess提出了另一種造成誤差的可能性。銀河系中存在大量氣體和塵埃盤，在X射線到達望遠鏡的過程中，這些氣體、塵埃盤可能成為障礙物，妨礙觀測者的判斷。Riess認為，這個理論并不是憑空猜測：各向異性最明顯的區域，恰好與銀河系中X射線吸收氣體和塵埃最稠密的區域重合。

研究的數據本身，也存在疑點。論文指出，這項結論的置信度≥4-sigma。在物理學中，5-sigma是代表著足夠顯著性的“金標準”。而4-sigma的結果雖然不算糟糕，但距離“金標準”仍有差距。

最后，如果這項研究的數值真實存在，而不是來自上述誤差，那么宇宙各向異性是唯一的解釋嗎?

不是。天文學家還提出了另一種可能的解釋，那就是“整體流”(bulk flow)。理論上，星系團等物質在暗能量的推動下，按照哈勃常數膨脹。然而，在實際觀測中，一些星系團移動的速率并不完全等同于哈勃常數，這是因為在暗能量之外，它們還受到了普通物質的作用，而作用力的來源，就是鄰近的大型星系團。例如，銀河系的本動速率，即相較于哈勃常數的運動運動速率，達到達到631km/s。

同樣，在這項研究中，不同星系團展現出的膨脹速率差異，也可能歸結于星系團的“整體流”。唯一的問題是空間尺度——此前有研究證實，在不超過10億光年的范圍內，觀測到類似的效應。但要解釋這項研究中的數據，需要在50億光年的尺度上支配星系團的運動。

因此，至少目前看來，宇宙各向異性的理論還缺乏足夠堅實的證據。在此后一段時間內，相關爭論仍將持續下去。論文作者希望，功能更加強大的下一代X射線望遠鏡，例如俄羅斯與德國聯合研制的eROSITA、ESA的“雅典娜”號X射線空間望遠鏡，將提供更加豐富、范圍更廣的星系團距離信息。