宇宙各向异性的理论还缺乏足够坚实的证据

文章来源：环球科学

宇宙大尺度上的各向同性，即在各个方向上物质分布均匀、膨胀速率一致，是现代宇宙学的重要基石。不过最近，这一假说遭受了一批天文学家的挑战。借助两台强大的X射线望远镜，以及一个经验性的关系式，他们得出了颇具争议的结论——宇宙在不同方向上的膨胀可能是不均匀的。不过，在另一些天文学家看来，这个令人兴奋的结论，却存在大量值得注意的疑点与漏洞。

挑战宇宙各向同性

当我们用天文望远镜锁定宇宙的一片区域，会观察到什么景象?可能是一颗正在吞噬周围物质的黑洞;可能是伸出旋臂，缓慢旋转的旋涡星系;也可能是看似空无一物的星际空间。这些纷繁复杂的元素，共同构成了这个经历了138亿年演化的宇宙。但是，当我们的视野变得更加开阔，直至以数十亿光年的尺度看待这个宇宙时，这时的宇宙单元依旧是如此丰富而变化多端吗?

不。恰恰相反，无论我们将目光锁定在宇宙的任何方向，宇宙都是一致、没有任何变化的。这就是现代宇宙学的重要基础——宇宙尺度上的各向同性。

宇宙的各向同性源自一个很自然的想法：在宇宙大爆炸之后的暴胀阶段，宇宙空间向各个方向快速膨胀。在这个过程中，宇宙的不均一性被消除。而随后的持续膨胀过程，在各个方向上也不应该存在任何特殊之处。

宇宙各向同性的设想，也得到了大量天文观测数据的支持。尤其是当Arno Penzias和Robert Wilson捕捉到宇宙微波背景辐射(CMB)——宇宙大爆炸38万年时遗留下的辐射印迹时，尽管在局部存在一些涨落，但它在宇宙尺度上均匀的分布，为宇宙各向同性的假说提供了重量证据。

不过最近，这一现代宇宙学的根基遭到了挑战。提出质疑的是德国波恩大学与哈佛-史密森尼天体物理中心的一支联合研究团队，他们借助两台X射线天文望远镜——美国航空航天局(NASA)的钱德拉X射线望远镜，以及欧洲空天局(ESA)XMM牛顿望远镜的X射线观测数据，提出了不同的观点。

线性关系

这项研究关注的焦点，是星系团中的X射线。之前有研究发现，星系团的X射线光度，与弥漫在星系团中的高温气体的温度，存在有趣的线性关系。基于这样的经验关系，天文学家得以通过这样的思路推断X射线源的距离——利用两台X射线望远镜，可以测出星系团中高温气体的X射线辐射，即气体的温度;而气体温度与X射线光度存在线性关系，因此温度可以转化为X射线光度，即X射线源的距离。注意，这里的距离是独立于宇宙膨胀速率的。

此后，研究人员可以通过另一种手段测定这些星系团的距离——只不过，这种测量手段是与宇宙膨胀速率相关的。因此，当这两种手段推断出的星系团距离信息相结合，就能告知我们星系团所处区域的膨胀速率。如果我们拥有来自宇宙不同区域、数量足够多的膨胀速率信息，就有机会验证宇宙各向同性的猜想，或者，找到宇宙各向异性的蛛丝马迹。

研究团队利用当今两台最著名的X射线望远镜，获得了共313个星系团的数据。其中包括钱德拉X射线天文台在191天的曝光时间中，观测到的237个星系团;以及XMM牛顿望远镜在35天内观测到的76个。随后，为了进一步验证其结果，研究团队还结合了此前XMM牛顿望远镜和ASCA宇宙学和天体物理学高新卫星的大量数据。这样，共有近850个星系团的距离信息被用于这项分析。

在这些星系团数据的帮助下，研究人员果然有了令人欣喜的发现：正如下图所示，在两片区域，哈勃常数明显偏离了平均值。其中，黄色区域的宇宙膨胀速率超出了预期;紫色区域的膨胀则比平均数值更慢。一言以蔽之，宇宙的各向同性被打破了。

暗能量分布不均?

如果作者的结论成立，这将是对现代宇宙学的一次强有力的冲击。宇宙在大尺度上的各向异性，意味着我们对于宇宙基本结构的认知，还存在不完善的地方。那么，导致宇宙各向异性的因素可能是什么?

前面已经说到，宇宙微波背景辐射在大尺度上有着几乎完美的均一性。物质在宇宙中的分布仍是均匀的，那么问题，可能来自占据宇宙总质量近70%的暗能量：暗能量，驱动宇宙加速膨胀的力量，自身可能不是均匀分布的。

也就是说，在暴胀产生早期宇宙之后，随后的数十亿年间，暗能量在整个宇宙中的分布并不是我们此前想象的那样均匀——它在一些方向上更加密集，而另一些区域则较为稀薄。这样的差异，造就了宇宙的“倾斜”。

这样的假设并无不妥，因为暗能量本身就是天文学家为了解释宇宙加速膨胀而提出的概念。对于暗能量的构成、分布等信息，我们至今认识有限。如果我们此前对宇宙膨胀空间分布的认识存在偏差，那么暗能量的分布方式自然可以随之改变。

巨大争议

看上去，我们正在见证一项令人激动的突破。这样的可能性当然存在，但问题在于，这项研究的结论或许并不牢靠，甚至有着多项潜在的误差来源。

首当其冲的，是研究方法本身。前文提到，这项研究使用的X射线光度与气体温度的线性关系，是基于经验总结的。在论文图表中，我们能够看到，通过两台望远镜得到的关系斜率有所差异——这是一个非常危险的信号，因为两者的关系不应该随观测工具的不同出现波动。还有科学家发现，相较于其他研究手段，通过星系团得出的结论往往存在不一致性，这为星系团研究的可靠性画上问号。

约翰·霍普金斯大学的天文学家Adam Riess提出了另一种造成误差的可能性。银河系中存在大量气体和尘埃盘，在X射线到达望远镜的过程中，这些气体、尘埃盘可能成为障碍物，妨碍观测者的判断。Riess认为，这个理论并不是凭空猜测：各向异性最明显的区域，恰好与银河系中X射线吸收气体和尘埃最稠密的区域重合。

研究的数据本身，也存在疑点。论文指出，这项结论的置信度≥4-sigma。在物理学中，5-sigma是代表着足够显著性的“金标准”。而4-sigma的结果虽然不算糟糕，但距离“金标准”仍有差距。

最后，如果这项研究的数值真实存在，而不是来自上述误差，那么宇宙各向异性是唯一的解释吗?

不是。天文学家还提出了另一种可能的解释，那就是“整体流”(bulk flow)。理论上，星系团等物质在暗能量的推动下，按照哈勃常数膨胀。然而，在实际观测中，一些星系团移动的速率并不完全等同于哈勃常数，这是因为在暗能量之外，它们还受到了普通物质的作用，而作用力的来源，就是邻近的大型星系团。例如，银河系的本动速率，即相较于哈勃常数的运动运动速率，达到达到631km/s。

同样，在这项研究中，不同星系团展现出的膨胀速率差异，也可能归结于星系团的“整体流”。唯一的问题是空间尺度——此前有研究证实，在不超过10亿光年的范围内，观测到类似的效应。但要解释这项研究中的数据，需要在50亿光年的尺度上支配星系团的运动。

因此，至少目前看来，宇宙各向异性的理论还缺乏足够坚实的证据。在此后一段时间内，相关争论仍将持续下去。论文作者希望，功能更加强大的下一代X射线望远镜，例如俄罗斯与德国联合研制的eROSITA、ESA的“雅典娜”号X射线空间望远镜，将提供更加丰富、范围更广的星系团距离信息。