利用普朗克衛(wèi)星的早期數(shù)據(jù)繪制的宇宙微波背景輻射圖像

　　北京時間 11 月 7 日消息，我們已知關(guān)于宇宙形狀的一切可能都是錯的。根據(jù)一項新的研究，宇宙可能不是像床單一樣平坦，而是像一個巨大的氣球一樣彎曲，而且這個氣球還在不斷膨脹。

　　這是 11 月 4 日發(fā)表在《自然-天文學(xué)》(Nature Astronomy)雜志上的一篇論文的結(jié)論。該論文研究了宇宙微波背景(CMB)的數(shù)據(jù)，這是大爆炸遺留下來的微弱熱輻射。然而，并不是所有人都信服這項新研究。研究人員的發(fā)現(xiàn)基于 2018 年發(fā)布的數(shù)據(jù)，既與多年來的傳統(tǒng)觀點相悖，也與最近另一項基于同一宇宙微波背景數(shù)據(jù)集的研究矛盾。

　　這篇新論文稱，如果宇宙是彎曲的，那這種彎曲會十分平緩，對我們的生活，或者太陽系甚至銀河系的移動都不會產(chǎn)生很大的影響。但是，如果我們走出銀河系，深入到黑暗太空中，一直以直線行進(jìn)，那么最終你會繞一個圈，回到開始的地方。宇宙學(xué)家將這一概念稱為“封閉宇宙”。盡管已經(jīng)存在了一段時間，但封閉宇宙的概念并不符合現(xiàn)有的宇宙運行理論，因此在很大程度上被科學(xué)家拒絕，取而代之的是所謂的“平坦宇宙”。在平坦宇宙中，宇宙向各個方向延伸，沒有邊界，也不圍繞自身循環(huán)。現(xiàn)在，研究人員在測量宇宙微波背景時得到了異常的數(shù)據(jù)資料，為封閉宇宙觀點提供了堅實的(但不是絕對的)證據(jù)。

　　梅爾基奧里在接受采訪時表示，開放宇宙就像一條被拉伸的床單，而封閉宇宙則更像一個膨脹的氣球。無論哪種情況，整個宇宙都在擴(kuò)張。當(dāng)床單展開時，每個點都在一條直線上遠(yuǎn)離另一個點;當(dāng)氣球膨脹時，其表面的每個點也離其他點越來越遠(yuǎn)，但由于氣球的曲率，使這種遠(yuǎn)離運動的幾何學(xué)更加復(fù)雜。

　　“這意味著，如果有兩個光子，當(dāng)它們在一個封閉的宇宙中平行移動時，它們(最終)會相遇，”梅爾基奧里說道。但是，如果是在一個開放、平坦的宇宙中，光子在不受干擾的情況下，會一直沿著平行方向運動，而不會相互作用。

　　梅爾基奧里表示，傳統(tǒng)的宇宙膨脹模型表明，宇宙應(yīng)該是平的。當(dāng)我們回溯到宇宙膨脹的開始，到大爆炸后最初的 0.0000000000000000000000001 秒，根據(jù)大爆炸模型，你會看到一個難以置信的時刻：宇宙從最初那個無限小的點開始爆發(fā)，然后以指數(shù)級膨脹。迅速膨脹的物理學(xué)模型指向的是一個平坦的宇宙，這也是大多數(shù)科學(xué)家支持“平坦宇宙”的首要原因。

　　梅爾基奧里指出，如果宇宙并不平坦，你就必須“微調(diào)”原始機(jī)制的物理原理，使其完全吻合，并在此過程中重新進(jìn)行無數(shù)其他的計算。研究人員在新研究中寫道，這一過程最終很可能是必不可少的，因為宇宙微波背景數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常。

　　宇宙微波背景輻射是我們在宇宙中能探測到的最古老的東西，由微弱的熱輻射(微波)構(gòu)成。當(dāng)你把恒星、星系和其他干擾阻擋在外時，宇宙微波背景輻射就會充滿整個空間。宇宙微波背景是關(guān)于宇宙歷史和行為最重要的數(shù)據(jù)來源之一，因為它太古老了，而且遍布整個宇宙。根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，宇宙微波背景輻射的“引力透鏡效應(yīng)”比預(yù)期的要大得多，這意味著引力對宇宙微波背景輻射的彎曲作用似乎超過了現(xiàn)有物理學(xué)所能解釋的范圍。

　　研究團(tuán)隊利用的數(shù)據(jù)來自于 2018 年發(fā)布的普朗克衛(wèi)星實驗。這是歐洲空間局(ESA)的一項科學(xué)計劃，旨在盡可能更詳細(xì)地繪制宇宙微波背景輻射。新的數(shù)據(jù)將發(fā)表在即將出版的《天文學(xué)與天體物理學(xué)》(Astronomy & Astrophysics)雜志上，目前已經(jīng)可以在歐洲空間局的網(wǎng)站上找到。迪·瓦倫蒂諾和梅爾基奧里也參與了這項計劃。

　　為了解釋額外的引力透鏡現(xiàn)象，普朗克衛(wèi)星協(xié)作團(tuán)隊在該研究小組的宇宙形成模型中加入了一個額外的變量，科學(xué)家稱之為“A_lens”。梅爾基奧里表示，這個變量是另外放進(jìn)去的，用來解釋所看到的異常現(xiàn)象，和物理學(xué)沒有關(guān)系。換句話說，在愛因斯坦的相對論中并沒有A_lens 這個參數(shù)。“我們發(fā)現(xiàn)，A_lens 可以用正曲率的宇宙來解釋，這比用廣義相對論來解釋的更符合物理學(xué)，”梅爾基奧里說道。

　　梅爾基奧里還指出，這種解釋并不是結(jié)論性的。根據(jù)研究小組的計算，普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)指向正曲率宇宙(即封閉宇宙)的顯著性水平超過 99%。

　　不過，一些宇宙學(xué)家表示，這項研究還有很多值得懷疑之處。美國斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家安德烈·林德(Andrei Linde)表示，《自然-天文學(xué)》雜志的論文沒有考慮到 10 月 1 日發(fā)表在 arXiv 數(shù)據(jù)庫上的另一篇重要論文(該論文尚未發(fā)表在同行評議期刊上)。那篇論文的作者，劍橋大學(xué)的宇宙學(xué)家喬治·埃夫斯塔西奧(George Efstathiou)和史蒂芬·格拉頓(Steven Gratton)也參與了普朗克合作項目，他們研究的數(shù)據(jù)要少于梅爾基奧里等人發(fā)表在《自然-天文學(xué)》的論文。他們的分析結(jié)果也支持了一個彎曲的宇宙，但與這項涉及更多普朗克數(shù)據(jù)的新研究相比，他們的統(tǒng)計可信度要低得多。然而，當(dāng)埃夫斯塔西奧和格拉頓將這些數(shù)據(jù)與其他兩個早期宇宙的現(xiàn)有數(shù)據(jù)集一起研究時，卻發(fā)現(xiàn)，總體而言，這些證據(jù)指向了一個平坦的宇宙。

　　當(dāng)被問及如何評價埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文時，梅爾基奧里稱贊他們對數(shù)據(jù)的精心處理，但表示兩人的分析所依賴的普朗克數(shù)據(jù)片段太少。他還指出，他們的研究基于改良版的普朗克數(shù)據(jù)，而不是 600 多名物理學(xué)家審查過的公共數(shù)據(jù)。

　　安德烈·林德則認(rèn)為，這種重新分析表明，埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文基于更好的方法。埃夫斯塔西奧在一封電子郵件中指出，如果宇宙是彎曲的，那將會帶來許多問題，與其他早期宇宙的數(shù)據(jù)集和膨脹觀測結(jié)果相矛盾。

　　梅爾基奧里也認(rèn)為，封閉宇宙模型會給物理學(xué)帶來很多問題。“我不想說我相信宇宙是封閉的，”他說，“我比較中立。我會說，讓我們等待現(xiàn)有數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)能說明什么吧。我認(rèn)為現(xiàn)在的結(jié)果存在矛盾，我們必須很小心地找出造成這個矛盾的原因。”
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