如何宇宙在膨胀吗?如何物质会在我们的宇宙周围聚集吗?回答这两个问题的不同方法——要么观测早期宇宙并推断到现在,要么直接观察附近的宇宙——都得到了不同的答案。对这些差异最简单的解释仅仅是我们的测量结果在某种程度上是错误的,但研究人员越来越多地考虑另一种更令人惊叹的可能性:这些孪生的紧张关系——在期望和观测之间,在早期和晚期的宇宙之间——可能反映了宇宙学标准模型中的一些深层缺陷,这些标准模型囊括了我们关于宇宙的知识和假设。找到并修复这个缺陷,将会深刻地改变我们对宇宙的认识。

无论如何,答案似乎肯定会在未来十年从迷雾中浮现出来,因为急切的天文学家们准备使用一系列新的太空和地面望远镜,以获得更清晰的宇宙景象。约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天体物理学家、诺贝尔奖得主亚当·里斯(Adam Riess)说:“探究这些紧张关系是了解宇宙的好方法。”“它们让我们有能力把实验集中在非常具体的测试上,而不是把它变成一个普通的调查。”

里斯预测,这些新望远镜将引领第三代精密宇宙学的诞生。第一代中微子诞生于20世纪90年代末和21世纪初,借助哈勃太空望远镜(HST)和美国国家航空航天局(NASA)的WMAP卫星,我们对宇宙最古老的光——宇宙微波背景辐射(CMB)——进行了更敏锐的测量。它还由位于智利的一些8米级望远镜和位于夏威夷的一对10米的凯克巨型望远镜形成。总的来说,这些天文台帮助宇宙学家制定了宇宙学的标准模型,这个模型是5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量的混合物,以不可思议的准确性,可以解释我们对星系、星系团和其他大规模结构及其在宇宙时间中的演化的大多数观测。具有讽刺意味的是,正是由于它的成功,这个模型突出了我们不知道的东西:宇宙95%的确切性质。

在欧空局的普朗克卫星和各种地面望远镜对宇宙微波背景辐射进行更精确测量的推动下,第二代精密宇宙学支持了标准模型,但也揭示了这种张力。研究的重点转移到减少所谓的系统学:由于实验或设备设计中的错误而产生的可重复错误。

哈勃望远镜的第三代已经在太空中等待了多年,直到现在,随着哈勃望远镜的继任者哈勃望远镜的成功发射和深空部署,它才开始登上舞台的中心詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。在地球上,通过射电望远镜阵列,例如位于阿塔卡马沙漠的西蒙斯天文台和初生的CMB- s4,宇宙微波背景辐射的测量有望达到新的普朗克——超过精度水平。CMB- s4未来将由21个碟形天线和50万个低温冷却探测器组成,将分布在阿塔卡马和南极。

但是第三代人王冠上的宝石将是能观测广阔天空的望远镜。其中第一个可能是欧洲航天局1.2米长的欧几里得太空望远镜,预计于2023年发射,用横跨约三分之一天空的目光研究数十亿星系的形状和分布。欧几里得的研究将与美国宇航局的研究相吻合Nancy Grace Roman太空望远镜这是一个2.4米的望远镜,视野大约是哈勃望远镜的100倍,计划于2025年发射。最后,当它在21世纪20年代中期开始运作时,地面基地维拉·鲁宾天文台每隔几个晚上,它就会用8.4米的镜面和30亿像素的相机来绘制整个头顶的天空,这是有史以来最大的天文学相机。

耶鲁大学的天体物理学家Priyamvada Natarajan说:“我们不会受到噪声和系统的限制,因为它们是独立的天文台。”“即使我们有一个系统的框架,我们也应该(能够)弄清楚。”

攀登距离梯

例如,里斯希望看到哈勃张力的分辨率,它来自于对哈勃常数值的不同估计,H0也就是宇宙膨胀的速度。Riess领导着超新星,H0,用于暗能量状态方程(SH0ES)项目的测量H0.SH0ES过程开始于天文学家爬上所谓的“宇宙距离阶梯”的第一级,这是测量不断扩大的天体范围的一系列方法。第一步——也就是关于最近的宇宙物体的那一步——依靠几何视差来确定到被称为造父变星的特殊恒星的距离,造父变星的脉动与它们的固有光度成比例。通过视差确定造父变星的距离,天文学家可以校准其亮度和变异性之间的关系,使其成为估计更大宇宙距离的主力“标准蜡烛”。这构成了第二个梯级的基础,第二个梯级是使用像HST这样的望远镜在更遥远的星系中发现造父变星,测量它们的变化来确定它们的距离,然后用这个距离校准另一组更强大的标准蜡烛,称为Ia型超新星,或SNe Ia,在这些相同的星系中。再进一步,天文学家发现SNe Ia在更遥远的星系中,用它们来建立距离和星系红移之间的关系,红移是星系远离我们的速度的衡量标准。最终结果是一个估计H0

除了SH0ES,其他团队也参与了这个项目,包括Pantheon+团队,该团队编制了Ia型超新星的大型数据集。

去年12月,Riess说,“在对这个问题进行了几年的深入研究之后”,SH0ES团队和Pantheon+团队公布了对他们的综合数据进行的近70种不同分析的结果。这些数据包括对37个宿主星系中造父变星的观测,这些星系包含42颗Ia型超新星,是SH0ES在2016年研究的超新星数量的两倍多。里斯和他的合著者怀疑,这项最新的研究代表了哈勃望远镜的最后一站,这是哈勃望远镜帮助他们在宇宙尺度上攀登更高的能力的外部极限。这组超新星现在包括了附近宇宙中“1980年至2021年间观测到的所有合适的SNe Ia(我们知道的)”。在他们的分析中,H0得出的结果是73.04±1.04千米/秒/百万秒差距。

这与用另一种完全不同的方法得到的数值相差甚远,该方法观察的是宇宙历史的另一端——大爆炸后约38万年宇宙变得透明的所谓重组时期。来自这个时代的光,现在由于宇宙随后的膨胀延伸到微波波长,作为遍布宇宙的微波背景可被探测到。微波背景辐射的温度和极化的微小波动捕获了一个非常重要的信号:声波从宇宙之初到重新组合时期所传播的距离。这个长度是精确宇宙学的一个有用的度量,可以用来估计的值H0通过使用标准LCDM模型(L代表λ或暗能量,CDM代表冷暗物质;冷指的是暗物质粒子运动相对缓慢的假设)。一年前发表的最新分析结合了普朗克卫星和两个地面仪器——阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)和南极望远镜(SPT)——的数据,得出了一个H067.49±0.53。

两种估计之间的差异有5西格玛的统计显著性,这意味着它是统计上的侥幸的概率只有百万分之一。里斯说:“这当然是人们应该认真对待的层面——他们确实认真对待了。”

宇宙有多团?

研究人员开始认真考虑的另一个紧张关系是一个叫做年代8这取决于宇宙中物质的密度,以及它们聚集而非均匀分布的程度。的估计年代8还包括在一端测量宇宙微波背景辐射,另一端测量局部宇宙。的cmb导出值年代8用LCDM推算出的早期宇宙中,今天的值约为0.834。

局部宇宙的测量年代8涉及到许多不同的方法。其中最严格的是所谓的弱引力透镜观测,它测量了天空中数百万星系的平均形状是如何被暗物质和正常物质的干涉密度的引力影响而扭曲的。天文学家使用了来自千度巡天(KiDS)的最新数据,它将天空覆盖范围从350平方度增加了一倍多,到777平方度(相比之下,满月的跨度只有半度),和估计年代8大概是0.759.早期和晚期宇宙估计之间的紧张关系年代8从2019年的2.5西格玛增长到现在的3西格玛(或者,740分之一的概率是侥幸)。德国波鸿鲁尔大学的天文学家亨德里克·希尔德布兰特说:“这种紧张不会消失。”“硬。”

还有另一种方法来达到价值年代8:通过计算空间中最大的星系团的数量。天文学家既可以直接做到这一点(例如,通过引力透镜效应),也可以通过研究这些星系团在宇宙微波背景中的印记,这要归因于一种被称为Sunyaev-Zeldovich效应的东西(它导致CMB光子散射出星系团中的热电子,在CMB中产生与星系团质量成比例的阴影)。2019年一项使用南极望远镜数据的详细研究估计年代8还是0.749,与基于CMB+ lcdm的估计相差甚远。纳塔拉简说,如果对这些星系团质量的估计误差在40 - 50%左右,那么这些数字可能是一致的。然而,她认为这种大幅度的修正是不可能的。她说:“我们在衡量游戏中并没有那么糟糕。”“所以这是另一种内部矛盾,另一种指向其他东西的异常现象。”

打破了紧张

考虑到这些紧张关系,宇宙学家急切地等待新一代天文台的新数据也就不足为奇了。例如,普林斯顿大学的David Spergel希望天文学家使用JWST来研究所谓的红巨星分支中最亮的恒星。这些恒星的亮度众所周知,可以作为标准蜡烛来测量星系距离——如果你愿意的话,这是宇宙阶梯上一个独立的梯级。2019年,芝加哥大学的温迪·弗里德曼和同事们使用这种技术进行估算H0发现它们的值正好位于宇宙早期和晚期估计值的中间位置。Spergel说:“当前红巨星分支数据尖端的误差条是这样的,它们与两种可能性是一致的。”天文学家还计划使用JWST重新校准哈勃观测到的造父变星,另外,该望远镜将通过瞄准Mira星(和造父变星一样,Mira星具有对宇宙制图有用的光度-周期性关系)来帮助创造距离梯子的另一个新阶。

而JWST可能解决或加强H0紧张,来自欧几里得,罗马和鲁宾天文台的广域调查数据可以为地球做同样的事情年代8通过研究物质的聚集和聚集而产生的张力。预计这三个望远镜的数据总量将会减少年代8误差很大。纳塔拉简说:“统计数据将会飞涨。”

与此同时,理论家们已经对这两种紧张关系进行了一番研究。“这是理论家的游乐场,”里斯说。“你加入一些实际观察到的紧张气氛,他们比我们玩得更开心。”

最近引起人们极大兴趣的理论是早期暗能量(EDE)。在典型的LCDM模型中,暗能量在宇宙历史上较晚才开始主导宇宙,大约50亿年前。但是Spergel说:“我们不知道为什么暗能量是今天宇宙的主要组成部分;因为我们不知道为什么它在今天很重要,它可能在早期也很重要。”这是在重组时代之前更早地援引暗能量效应的部分理由。即使在那段时间里,暗能量仅占宇宙能量预算的10%,也足以加速宇宙膨胀的早期阶段,使重组发生得更快,并缩短原始声波穿越的距离。最终的效果将是缓解H0张力。

Spergel说:“我发现这些模型最有趣的地方是,它们可能是错误的。”宇宙学家的EDE模型预测了CMB光子中产生的ed调制模式。2022年2月,巴黎索邦大学普朗克合作项目的成员西尔维亚·加利及其同事发表了一份对普朗克和地面CMB望远镜观测结果的分析,这表明他们总体上更倾向于EDE,而不是LCDM。然而,确认或驳斥这一相当试验性的结果需要更多更好的数据——这些数据可能很快就会来自相同的地面CMB望远镜的观测。但即使EDE模型证明是更好的适合和修复H0张力,他们做很少缓解紧张从年代8

潜在的修复年代8表现出同样令人烦恼的缺乏重叠H0.今年3月,法国蒙彼利埃大学的Guillermo Franco Abellán及其同事在《物理评论D》上发表了一项研究显示年代8紧张局势可以缓解通过假设冷暗物质粒子的衰变(变成一个大质量粒子和一个“热的”无质量粒子)。这种机制会降低年代8这是基于宇宙微波背景辐射的外推,使其更符合后期宇宙测量结果。不幸的是,这并不能解决问题H0张力。

“这似乎是一个强大的模式:无论你想出什么模式来解决问题H0紧张使年代8希尔德布兰特说。“有一些模式至少不会让其他紧张局势变得更糟,但也没有很大改善。”

“我们错过了一些东西”

一旦获得新的数据,Spergel预测了一些可能的情况。首先,新的宇宙微波背景数据可能与早期暗能量相一致,从而解决H0紧张,和即将到来的巡天望远镜观测可以单独缓解年代8张力。这将是早期暗能量模型的胜利,也将是我们对宇宙历史开端的理解的重大转变。

或者,有可能两者都是H0而且年代8紧张关系的解决有利于LCDM。这将是标准模型的胜利,也可能是宇宙学家苦乐参半的胜利,他们希望范式转变的突破,而不是“一切照旧”。

Spergel说:“第三个结果是,随着数据的改善,两者之间的紧张关系将变得越来越重要——而早期暗能量并不是答案。”那么,LCDM可能必须以不同的方式重新制定,但是缺乏进一步的细节,这样的结果的影响是很难预见的。

纳塔拉简认为,这种紧张和矛盾可能告诉我们,LCDM只是一个“有效的理论”,这是一个技术术语,意思是它准确地解释了当前宇宙观测概要的某个子集。她说:“也许真正发生的事情是有一个潜在的、更复杂的理论。”“LCDM是一种[有效的]理论,它似乎具有大多数关键成分。就我们之前的观测探测水平而言,这种有效的理论已经足够了。”但时代在变化,精确宇宙学的第三代强大天文台带来的数据洪流可能需要更有创造性和更详尽的理论。

当然,理论家们非常乐意这样做。例如,Spergel推测,如果早期暗能量可以与暗物质相互作用(在LCDM中,暗能量和暗物质不相互作用),这可以抑制早期宇宙中物质的波动,从而解决问题年代8紧张,同时照顾H0张力。Spergel说:“这使得模型更加巴洛克,但也许这就是大自然所需要的。”

作为一名观察天文学家,希尔德布兰特很谨慎。“如果有一个令人信服的模型能够完美地解决这两种紧张关系,我们就会拥有下一个标准模型。相反,我们仍然在谈论这些紧张关系,挠头,这只是反映了一个事实,我们还没有这样的模型。”

里斯表示同意。他说:“毕竟,在暗物质和暗能量的本质方面,使用一个基于对物理和宇宙的理解的模型是一个问题,这个模型大约有95%是不完整的。”“认为我们错过了一些东西并不疯狂。”