需要重寫?宇宙學標準模型可能崩潰
2020年05月28日10:31

  在觀測某一片天空中多個星系豐富的區域時,天文學家可以利用弱引力透鏡效應信號來估計中間物質(包括常規物質和暗物質)的數量和分佈

  5月26日消息,據國外媒體報導,近年來的研究預示著,宇宙學的標準模型可能需要重寫。兩種截然不同的宇宙“稱量”方法產生了迥異的結果,而如果更精確的測量不能解決這一差異,物理學家可能不得不修改宇宙學的標準模型——我們目前描述宇宙的最合理模型。

  德國波鴻魯爾大學的天文學家亨德里克·希爾德布蘭特(Hendrik Hildebrandt)說:“如果這真的預示了標準模型的崩潰,那將很可能是革命性的。”

  過去幾年,對所謂的哈勃常數(即如今宇宙膨脹的速度)的兩次獨立計算,也引發了人們對標準模型正確性的類似擔憂。這兩次測量結果並不一致,二者的差異也被稱為“哈勃衝突”(Hubble tension)。

  新的宇宙稱量結果之間的差異被稱為“sigma- 8衝突”(sigma-eight tension),涉及測量宇宙中物質的密度和聚集的程度。該結果以一個名為sigma- 8的參數來描述。為了計算sigma- 8,希爾德布蘭特和同事們採用了“弱引力透鏡效應”進行測量。在這種效應中,來自遙遠星系的光線由於星系和地球之間物質的引力作用而稍稍向地球的望遠鏡彎曲。

  由此產生的變形非常微小,幾乎不會改變單個星系的形狀。但是,如果你將某片天空中成千上萬個星系的形狀平均起來,就會出現微弱的透鏡效應。假設星系相對於地球的方向是隨機的,那它們的平均形狀應該接近圓形。換言之,如果沒有弱透鏡效應,星系的平均形狀將是圓形的;但由於這種效應的輕微扭曲,星系的平均形狀轉而向橢圓傾斜。

  在觀測某一片天空中多個星系豐富的區域時,天文學家可以利用弱引力透鏡效應信號來估計中間物質(包括常規物質和暗物質)的數量和分佈。換句話說,他們設法對宇宙的物質密度進行了測量。

  不過,精確的測量還需要更多的信息,首先就是每個被研究的星系之間的距離。通常情況下,天文學家通過測量一個星系的光譜紅移來計算它與另一個星系的距離。紅移是指星系的光向光譜中較長的紅色波長偏移的量;紅移越大,物體離觀測者就越遠。

  然而,在處理數以百萬計的星系時,測量單個光譜的紅移是極其低效的。因此,希爾德布蘭特的團隊採用了一種名為“光度紅移”的方法,即以不同波長(從光學波段到近紅外波段)拍攝同一片天空的多幅圖像。研究人員利用這些圖像來估計每個星系的紅移。“它們的效果不像傳統的光譜紅移那麼好,”希爾德布蘭特說。“但就望遠鏡的時間而言,它們的效率要高得多。”

  在整個分析過程中,研究小組使用了9個波段(4個可見光波段和5個近紅外波段)的數百平方度天空(滿月直徑約為半度)的高解像度圖像。這些圖像涉及大約1500萬個星系,由歐洲南方天文台的“千度巡天”(Kilo-Degree Survey,簡稱KiDS)和“VISTA千度紅外星系巡天”(VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey,簡稱VIKING)採集,利用的是歐南台位於智利帕瑞納天文台的兩台小型望遠鏡。

  VIKING的數據支援了KiDS的數據集,提供了近紅外波段對同一天空區域的多次觀測結果。一個星系的距離越遠,它遠離我們的速度就越快。這導致更多的星系光線被紅移到近紅外範圍,因此僅僅依靠光學觀測是不夠的。紅外觀測可以捕捉到更多來自這些星系的光,從而更好地估計它們的光度紅移。

  為了確保光度紅移儘可能準確,天文學家根據少數相同星系的光譜紅移測量結果對這些觀測結果進行了校準。這些光譜紅移測量是由帕納瑞天文台的8米甚大望遠鏡(VLT)和夏威夷莫納克亞山的10米凱克望遠鏡完成的。

  美國約翰霍普金斯大學的天體物理學家、諾貝爾獎得主亞當·里斯(Adam Riess)對KiDS研究人員的努力表示讚賞。他說:“他們最新的結果使用了紅外數據,在追蹤透鏡效應規模,以及獲得可靠的光度紅移方面,這可能效果更好。”

  利用覆蓋了大約350平方度天空的綜合數據,天文學家估計了參數sigma- 8的大小。他們發現的數值與歐洲空間局普朗克衛星對宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測值相衝突。CMB被認為是宇宙中最早的可觀測光,在大爆炸後約38萬年時發出。普朗克衛星繪製了宇宙微波背景輻射在天空中點對點的溫度和偏振的變化。利用這張圖,宇宙學家就可以計算早期宇宙的sigma- 8值。再利用宇宙學的標準模型(宇宙由5%的普通物質,27%的暗物質和68%的暗能量組成),他們就可以推算出超過130億年的宇宙演化過程,從而估算出今天的sigma- 8值。

  衝突便由此而來。希爾德布蘭特的弱透鏡效應研究估計sigma- 8約為0.74,而普朗克衛星的數據顯示這個值約為0.81。希爾德布蘭特說:“大約有百分之一的可能性是,這種(衝突)是一種統計漲落。”統計漲落相當於數據中的隨機噪聲,可能與實際信號相似,也可能隨著數據的增加而消失,“這還不是需要擔心到完全失眠的事情。”

  確實還沒有到這種程度。在一個或兩個團隊的計算中也可能存在系統性的誤差。在研究人員發現任何此類誤差之後,這種衝突可能就消失了。

  結果也可能不會如此,正如所謂的“哈勃衝突”。隨著天文測量變得越來越精確,哈勃衝突的統計顯著性只會越來越大,讓不少焦慮的理論物理學家徹夜難眠。“sigma- 8衝突可能也會發生非常類似的情況,”希爾德布蘭特說,“一切都是未知數。”

  亞當·里斯領導的一個團隊利用對鄰近宇宙中超新星的測量值來估計哈勃常數,他把sigma- 8衝突比作“哈勃衝突的弟弟或妹妹”。現在認為,這種衝突具有統計學意義,純屬意外的概率不超過350萬分之一。sigma- 8衝突是統計偏差的概率只有百分之一,幾年前的哈勃衝突也是如此。“所以它其實還沒有那麼顯著,但值得關注,尋找可能的聯繫,”里斯說道。

  如果sigma- 8衝突上升到與哈勃衝突相同的統計相關性水平,那麼重新評估宇宙學標準模型的壓力可能就會大到不容忽視。在這一點上,宇宙學家可能不得不求助於新的物理學,使普朗克衛星的估計值與如今對宇宙參數的直接測量保持一致。“這將是一個令人興奮的選擇,”希爾德布蘭特說道。

  對標準模型的潛在“新物理學”修正可能包括改變暗能量或(和)暗物質的數量和性質,以及調整它們之間,以及與常規物質之間的相互作用方式,甚至包括其他更奇異的修正。里斯說:“一些改進宇宙模型以解決哈勃常數衝突的理論使這一切(sigma- 8衝突)變得更糟。有些理論則做得更好。”

  希爾德布蘭特也認為目前還沒有明顯的解決方案。“如果有一個令人信服的模型,或許人們會跟風,”他說,“但是現在,我不認為有這樣的模型。作為觀測者,我們真的有責任提高(sigma- 8衝突)的顯著性,或者證偽它。”(任天)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽