我们生活在不对称的宇宙中？研究质疑宇宙基本特性

宇宙的大尺度各向同性，即物质在所有方向上的均匀分布和一致的膨胀速率，是现代宇宙学的重要基石。然而，最近这一假设受到了一群天文学家的挑战。借助两台强大的X射线望远镜和一个经验关系，他们得出了一个有争议的结论，即宇宙在不同方向的膨胀可能是不均匀的。然而，在其他天文学家看来，这个令人兴奋的结论有大量值得注意的疑点和漏洞。

挑战宇宙各向同性

当我们用天文望远镜锁定宇宙的某个区域时，我们会看到什么？这可能是一个吞噬周围物质的黑洞。它可能是一个螺旋星系，伸出螺旋臂，缓慢旋转。它也可能是一个看似空旷的星际空间。这些众多而复杂的元素共同构成了经历了138亿年进化的宇宙。然而，当我们的视野变得更宽，直到我们以数十亿光年的尺度观察宇宙时，宇宙单位仍然如此丰富多样吗？

不。相反，不管我们关注宇宙的任何方向，宇宙都是一致的和不变的。这是现代宇宙学的重要基础——宇宙尺度上的各向同性。

宇宙的各向同性源于一个非常自然的想法:在大爆炸后的膨胀阶段，宇宙向各个方向迅速膨胀。在这个过程中，宇宙的异质性被消除了。然而，随后的连续膨胀过程不应在所有方向上具有任何特殊特征。

大量天文观测数据也支持宇宙各向同性的观点。特别是当阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊捕捉到宇宙微波背景辐射(CMB)时——这是大爆炸380，000年后留下的辐射印记，尽管局部有一些波动，但它在宇宙尺度上均匀分布，为宇宙各向同性假说提供了有力的证据。

然而，最近，现代宇宙学的基础受到了挑战。提出这个问题的是波恩大学和哈佛-史密森尼天体物理中心的联合研究小组。他们借助两个x光望远镜——美国航天局的钱德拉x光望远镜和欧空局的XMM牛顿望远镜——的x光观测数据提出了不同的观点。

线性关系

这项研究的重点是星系团中的X射线。先前的研究发现，在星系团的X射线亮度和在星系团中扩散的高温气体的温度之间有一个有趣的线性关系。基于这种经验关系，天文学家可以通过这个想法推断出X射线源的距离——使用两台X射线望远镜，可以测量出星系团中高温气体的X射线辐射，即气体的温度；然而，气体温度和X射线光度之间存在线性关系，因此温度可以转换成X射线光度，即X射线源的距离。请注意，这里的距离与宇宙的膨胀速度无关。

从那时起，研究人员已经能够用另一种方法测量这些星团的距离，但这种测量与宇宙的膨胀速度有关。因此，当两种方法推断出的星系团的距离信息结合起来时，就能告诉我们星系团所在区域的膨胀率。如果我们有足够的关于宇宙不同区域膨胀速率的信息，我们就有机会验证宇宙各向异性的假设，或者找到宇宙各向异性的线索。

该研究小组使用当今最著名的两台X射线望远镜获得了313个星系团的数据。这包括钱德拉X射线天文台在191天曝光期间观察到的237个星系团。用XMM牛顿望远镜在35天内观测到76个。后来，为了进一步验证结果，研究小组还结合了来自XMM牛顿望远镜和ASCA宇宙学和天体物理学高科技卫星的大量数据。这样，近850个星系团的距离信息被用于这一分析。

借助这些集群数据，研究人员确实有了一个令人愉快的发现:如下图所示，哈勃常数明显偏离了这两个区域的平均值。其中，黄色区域的宇宙膨胀速度超出了预期。紫色区域的扩展速度比平均速度慢。总之，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，它将对现代宇宙学产生强大的影响。宇宙在大范围内的各向异性意味着我们对宇宙基本结构的理解仍然不完善。那么，导致宇宙各向异性的可能因素是什么？

如前所述，宇宙微波背景辐射在大范围内几乎具有完美的均匀性。宇宙中物质的分布仍然是均匀的，所以问题可能来自暗能量，它占宇宙总质量的近70%:暗能量，驱动宇宙加速膨胀的力量，可能不是均匀分布的。

也就是说，在膨胀产生了早期宇宙之后，在接下来的几十亿年中，暗能量在整个宇宙中的分布并不像以前认为的那样均匀——它在某些方向上更密集，而在另一些方向上更稀薄。这种差异造成了宇宙的“倾斜”。

这个假设没有错，因为暗能量本身是天文学家提出来解释宇宙加速膨胀的一个概念。我们对暗能量的组成和分布仍然知之甚少。如果我们先前对宇宙膨胀空间分布的理解有偏差，暗能量的分布自然会随之改变。

巨大的争议

似乎我们正在见证一个激动人心的突破。当然有这种可能性，但问题是这项研究的结论可能不可靠，甚至有许多潜在的错误来源。

首先是研究方法本身。如前所述，本研究中使用的X射线光度和气体温度之间的线性关系是基于经验的。在论文的图表中，我们可以看到通过两个望远镜获得的关系的斜率是不同的——这是一个非常危险的信号，因为两者之间的关系不应该随着不同的观测工具而波动。其他科学家发现，与其他研究方法相比，从星系团中得出的结论往往不一致，这给星系团研究的可靠性打上了问号。

约翰·霍普金斯大学的天文学家亚当·里斯提出了另一种可能的错误。银河系中有大量的气体和尘埃盘。在x光到达望远镜的过程中，这些气体和尘埃盘可能会成为阻碍观察者判断的障碍。里斯认为这一理论不是猜测:具有最明显各向异性的区域与银河系中X射线吸收气体和尘埃最密集的区域相一致。

对数据本身也有疑问。文章指出，该结论的置信水平≥4σ。在物理学中，5西格玛是代表足够重要性的“黄金标准”。尽管4-sigma的结果还不错，但与“金本位”仍有差距。

最后，如果这项研究中的数值是真实的，而不是来自上述误差，宇宙各向异性是唯一的解释吗？

不。天文学家还提出了另一种可能的解释，即“整体流”。理论上，像星系团这样的物质在暗能量的驱动下会根据哈勃常数膨胀。然而，在实际观测中，一些星系团的运动速度并不完全等于哈勃常数，因为除了暗能量，它们还受到普通物质的影响，而力的来源是相邻的大型星系团。例如，银河系的固有运动速率，即与哈勃常数相比的运动速率，达到631千米/秒

同样，在这项研究中，不同星系团的膨胀率差异也可能归因于星系团的“全球流动”。唯一的问题是空间尺度——先前的研究已经证实，在不超过10亿光年的范围内也能观察到类似的效应。但是为了解释这项研究中的数据，有必要在50亿光年的尺度上控制星系团的运动。

因此，至少目前，宇宙各向异性理论缺乏足够的确凿证据。这场辩论将持续一段时间。作者希望下一代功能更强大的X射线望远镜，如俄罗斯和德国联合研制的eROSITA和欧空局的“雅典娜”X射线空间望远镜，将提供更丰富、更广泛的星系团距离信息。