北京時(shí)間8月25日消息，大約在10多年前，天文學(xué)家們?cè)跍y(cè)量宇宙溫度的時(shí)候注意到一個(gè)有些奇怪的現(xiàn)象，那就是在天空中有一片寬度大約與20個(gè)滿月相當(dāng)?shù)膮^(qū)域，這里的溫度異常的低。
天文學(xué)家們所測(cè)量的是彌漫整個(gè)宇宙的微波輻射，那是宇宙大爆炸時(shí)留下的余暉。對(duì)這種宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測(cè)讓科學(xué)家們能夠窺見宇宙誕生早期，年齡僅約40萬年時(shí)的情景。
宇宙微波背景輻射在整個(gè)夜空幾乎均勻地分布，各個(gè)方向都是一樣的，溫度都是大約2.725K，僅比絕對(duì)零度高出一點(diǎn)點(diǎn)。然而借助美國宇航局先進(jìn)的“威爾金森各向異性探測(cè)器”(WMAP)，天文學(xué)家們可以識(shí)別出這一溫度背景上10萬分之一的變化。這種細(xì)微的溫度差異是宇宙誕生時(shí)量子泡沫漲落留下的產(chǎn)物，這種隨機(jī)漲落能夠幫助天文學(xué)家們理解宇宙的組成以及它的形成機(jī)制。
示意圖：加速膨脹的宇宙
宇宙微波背景輻射在整個(gè)夜空幾乎均勻地分布，各個(gè)方向都是一樣的，溫度都是大約2.725K，僅比絕對(duì)零度高出一點(diǎn)點(diǎn)
在所有這些溫度背景的起伏中，就存在著一個(gè)寒冷的點(diǎn)。多年來，天文學(xué)家們提出了各種理論試圖對(duì)此給出合理解釋，從儀器誤差到平行宇宙，不一而足。而現(xiàn)在，天文學(xué)家們將注意力集中到了其中的一種理論上：宇宙中存在一種巨大的空洞，被稱作“宇宙超巨洞”，它們很可能是宇宙中最大的結(jié)構(gòu)。
在這些空洞中幾乎不存在任何的恒星或星系。根據(jù)理論，這樣巨大的空洞會(huì)在宇宙微波背景輻射中留下低溫區(qū)域。因此對(duì)于宇宙中的神秘低溫區(qū)，其背后的答案或許僅僅就是巨大的空洞結(jié)構(gòu)而已。然而，相關(guān)的故事還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完結(jié)。
CMB中的異常低溫區(qū)
在宇宙微波背景輻射(CMB)中，低溫點(diǎn)還并非唯一讓人感到奇怪的地方?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了其他一些異常之處。比如說，半個(gè)天空的CMB信號(hào)似乎要比另外半個(gè)天空的信號(hào)更強(qiáng)一些。標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)理論無法完全解釋這些異常。但在所有這些異常中，異常低溫區(qū)域的存在是最引人矚目的。
對(duì)此，最簡(jiǎn)單的解釋是認(rèn)為這根本就不是什么異常情況，而只不過是CMB背景中隨機(jī)出現(xiàn)的溫度分布而已。當(dāng)你丟100次硬幣，你總會(huì)有20次，30次或是50次機(jī)會(huì)是頭像一面朝上的。因此，科學(xué)家們首先面對(duì)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)便是，他們必須判斷，這一現(xiàn)象究竟只是隨機(jī)因素的結(jié)果，還是的確有著背后的原因。對(duì)于異常低溫區(qū)而言，數(shù)據(jù)表明其可能只是隨機(jī)事件的概率大約是1/200，——看來并非不可能，但這種可能性也非常小。
一些科學(xué)家提出這種異常情況可能是由于觀測(cè)儀器的誤差或是數(shù)據(jù)分析的不當(dāng)方式導(dǎo)致的假像。但在2013年，來自歐洲普朗克衛(wèi)星的探測(cè)數(shù)據(jù)確認(rèn)了此前美國的觀測(cè)結(jié)果，CMB中的確存在異常的低溫區(qū)域，現(xiàn)在它需要得到解釋。
目前占據(jù)主流地位的解釋方案是所謂“宇宙超巨洞”(cosmic supervoid)理論。宇宙中所有的星系，恒星以及不可見的暗物質(zhì)，全部都以一種類似蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分布在空間之中，形成巨大的平面，扭結(jié)和條帶。在這些結(jié)構(gòu)之間便是被稱作“巨洞”(voids)的巨大空曠區(qū)域。這些巨洞有著不同的形狀和大小。而其中那些最為巨大的巨洞便會(huì)造成在CMB溫度背景上出現(xiàn)異常低溫區(qū)的假象。
這一現(xiàn)象背后的原理是：當(dāng)光線穿過一個(gè)巨大的巨洞時(shí)會(huì)損失能量，隨著光波能量的耗散，其頻率就會(huì)降低，光譜特征將向紅端發(fā)生位移。和所有其他事物一樣，光線會(huì)受到引力場(chǎng)的影響，引力會(huì)對(duì)光子產(chǎn)生作用。然而在巨洞內(nèi)部，由于這里物質(zhì)的密度極低，也就意味著幾乎沒有引力對(duì)光子產(chǎn)生影響。這樣一來，對(duì)于一個(gè)光子來說，穿過一個(gè)巨洞就像是翻越一座高山，而爬山是需要消耗能量的。
不過，光子可以將自己失去的能量再拿回來。一旦它們離開了巨洞，光線就將再次被物質(zhì)包圍，它將再次感受到引力的作用，并補(bǔ)充它在此前丟失的能量。
宇宙的加速膨脹會(huì)讓光子丟失能量。在光子艱難穿越巨洞的時(shí)候，整個(gè)宇宙正在加速膨脹。而當(dāng)光子通過巨洞之后，由于宇宙在此期間的加速膨脹，此時(shí)的物質(zhì)密度已經(jīng)比它穿越巨洞之前更低了，這也就意味著光子所能感受到的引力作用的強(qiáng)度將不如此前，如此，光子也就無法完全恢復(fù)它在穿越巨洞期間所損失的能量。
物理學(xué)家們?cè)缭谏鲜兰o(jì)60年代就已經(jīng)從理論上預(yù)言了這種現(xiàn)象的存在，但從未有人實(shí)際觀測(cè)到這一現(xiàn)象。然而，在CMB異常低溫區(qū)被發(fā)現(xiàn)之后，一些天文學(xué)家，如美國夏威夷大學(xué)的伊斯特凡·薩普迪(Istvan Szapudi)等人開始著手搜尋這種現(xiàn)象真實(shí)存在的證據(jù)，即所謂“積分薩克斯-沃爾夫效應(yīng)”(ISW effect)。2008年，他們真的找到了。
奇異的超巨洞
薩普迪無法分辨出單個(gè)的巨洞在CMB中留下的信號(hào)，因?yàn)樗麤]有讓他能夠這樣做的數(shù)據(jù)。相反，他和他的團(tuán)隊(duì)從大約100個(gè)巨洞以及星系群的數(shù)據(jù)中利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法搜尋整體層面上的ISW效應(yīng)。與巨洞所產(chǎn)生的效果相反，星系群強(qiáng)大的引力會(huì)在CMB信號(hào)中形成“熱點(diǎn)”。研究組在工作中找到了真正的ISW效應(yīng)，其在CMB中產(chǎn)生了大約十萬分之一開爾文，或10微開爾文(microkelvin)的溫度變動(dòng)。
相比CMB中異常低溫區(qū)溫度低于CMB平均溫度約70微開爾文的情況，由ISW效應(yīng)產(chǎn)生的影響顯然要小得多。但這項(xiàng)研究工作的主要目的是證明巨洞的確可以產(chǎn)生異常低溫區(qū)。如果巨洞足夠大，它是完全有可能產(chǎn)生這樣程度的低溫異常的。薩普迪表示：“如果低溫區(qū)是CMB數(shù)據(jù)中最明顯的異常，那么這很有可能就是存在一個(gè)超巨洞的信號(hào)，這種結(jié)構(gòu)在宇宙中是非常罕見的。因此我認(rèn)為我們現(xiàn)在就應(yīng)該著手對(duì)其展開搜尋。”
他在2010年開展的首次搜尋嘗試最終以失敗告終。這其中的原因之一可能就是因?yàn)閿?shù)據(jù)非常有限，僅僅覆蓋了異常低溫區(qū)的少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)。不過，有意思的是，這項(xiàng)研究結(jié)果同時(shí)也暗示，可能存在著一個(gè)規(guī)模驚人的超巨洞。
去年，他和他的團(tuán)隊(duì)再次進(jìn)行嘗試，這一次他們獲得了比前一次多得多的數(shù)據(jù)，涵蓋比前次多出200倍以上的天區(qū)面積，并覆蓋了整個(gè)表現(xiàn)出低溫異常的區(qū)域。有了這樣涵蓋數(shù)千星系的全面覆蓋，初步研究結(jié)果顯示其符合一個(gè)真正巨洞存在時(shí)的理論預(yù)期。數(shù)據(jù)結(jié)果是清晰無誤的。薩普迪表示：“我們完全確定這就是一個(gè)巨洞。我甚至可以賭上我家的房子。”
如果這真的是一個(gè)巨洞，那么這將是一個(gè)真正的龐然大物——它的半徑約2.2億秒差距，折合約7億光年，這樣驚人的尺度也使其成為宇宙中目前已知最大的物理結(jié)構(gòu)。
如此巨大的巨洞并不常見，很有可能只有很少的幾個(gè)。而這樣一個(gè)巨大的空洞卻正好與同樣罕見的CMB低溫異常區(qū)相重合，很難認(rèn)為這僅僅是一個(gè)巧合。而根據(jù)薩普迪的觀點(diǎn)，更有可能的情況是，正是這一巨洞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了這一低溫異常區(qū)的產(chǎn)生。事實(shí)上，根據(jù)他的計(jì)算，這兩者之間存在真實(shí)相互關(guān)系的可能性，相比僅僅是視線方向上的驚人巧合要高出大約2萬倍。
但他的一些同行們對(duì)此仍然還存有疑慮，如西班牙坎塔布里亞大學(xué)的天文學(xué)家佩特西羅·維爾瓦(Patricio Vielva)。維爾瓦曾經(jīng)在2004年領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究組最先發(fā)現(xiàn)了CMB信號(hào)中的異常低溫區(qū)。在他看來，巨洞的罕見性仍然尚無定論。而如果最終能夠證明在宇宙中這樣的巨洞是廣泛存在的，那么一個(gè)超巨洞的位置恰好與CMB中低溫異常區(qū)的位置相重疊是由于視線方向重合所導(dǎo)致結(jié)果的可能性就會(huì)大大升高，或許這種重合僅僅就是一個(gè)簡(jiǎn)單的巧合而已。正是出于這一原因，研究人員目前急切地需要得到更多的數(shù)據(jù)來判斷宇宙中這樣的超巨洞究竟有多么罕見。維爾瓦表示：“在目前的階段，我認(rèn)為做這件事是最為重要的?！?/p>
有沒有可能我們的宇宙中充滿著“紋形”或缺陷
當(dāng)穿越巨洞時(shí)，光線會(huì)損失能量
宇宙微波背景輻射(CMB)的產(chǎn)生過程示意圖
“還不夠冷”！
然而前面還有一個(gè)更大的問題，那就是超巨洞似乎無法在CMB中導(dǎo)致這樣大的溫度異常。這樣大的超巨洞大約只能在CMB中形成低于平均溫度20微開爾文左右的低溫異常區(qū)域，而現(xiàn)實(shí)是，觀測(cè)到的CMB中低溫異常幅度達(dá)到了70微開爾文左右，在部分區(qū)域，這樣的異常甚至高達(dá)140微開爾文。
對(duì)此，一種可能的解釋是，這個(gè)超巨洞的規(guī)?？赡鼙瓤茖W(xué)家們此前測(cè)定的更加巨大。如果這一情況屬實(shí)，那么其產(chǎn)生的ISW效應(yīng)將會(huì)更加強(qiáng)大。而考慮到薩普迪測(cè)定數(shù)據(jù)的不確定性，這個(gè)超巨洞的半徑最大可能達(dá)到2.7億秒差距。但即便如此，根據(jù)維爾瓦的計(jì)算，這樣的一個(gè)超巨洞結(jié)構(gòu)將仍然不足以產(chǎn)生科學(xué)家們?cè)贑MB信號(hào)中所觀察到的那種幅度的低溫異常。
事實(shí)上，根據(jù)目前的宇宙學(xué)理論模型，我們的宇宙根本就不可能形成足以產(chǎn)生如此幅度低溫異常的超巨洞結(jié)構(gòu)。維爾瓦表示：“問題就在于，你想要用來解釋這一現(xiàn)象的那種超巨洞，它根本就不存在?！?/p>
可是，如果這種低溫異常不是由于巨洞造成的，那還會(huì)是什么？維爾瓦認(rèn)為，或許這與所謂“宇宙紋形”(cosmic texture)有關(guān)，低溫異常區(qū)可能是宇宙中的一種拓?fù)淙毕?topological defect)。這就有點(diǎn)像水冰內(nèi)部的裂隙或結(jié)構(gòu)缺陷：當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，液態(tài)的水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的冰。而隨著早期宇宙的演化，這些宇宙中的結(jié)構(gòu)區(qū)域也經(jīng)歷了類似的相變過程。在水冰凝固的過程中，當(dāng)水分子未能完美排列時(shí)就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷。而在宇宙中，則可能出現(xiàn)紋形，這也是一種缺陷。在2007年，維爾瓦幫助證明了，如果紋形的確存在，那么它就可以經(jīng)由ISW效應(yīng)而產(chǎn)生符合觀測(cè)幅度的低溫異常區(qū)。
但“紋形”的概念仍然還只是一種理論猜測(cè)，沒有任何實(shí)際觀測(cè)證據(jù)可以證明其的確存在。瑞恩·馮-魏格特(Rien van de Weijgaert)是荷蘭格丁根大學(xué)的一名天文學(xué)家，他表示：“紋形是一個(gè)非常漂亮的想法，但我們?nèi)狈ψC據(jù)來證明它是否真實(shí)存在?！?/p>
馮-魏格特指出，對(duì)于大多數(shù)天文學(xué)家而言，一個(gè)超巨洞的想法仍然是目前的最佳解釋。他說：“到目前為止，這一想法仍然被視作是最令人信服的理論之一。只是在它能夠產(chǎn)生的低溫異常幅度方面可能還存在一些疑慮，但并沒有到完全脫離實(shí)際的地步。”
對(duì)此，維爾瓦也承認(rèn)，超巨洞的想法非常吸引人，但在此之前，其無法在足夠大的幅度上產(chǎn)生低溫異常的問題必須得到解決。
現(xiàn)在，科學(xué)家們需要更多的數(shù)據(jù)。舉例來說，如果能有更多的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們就將能夠獲得有關(guān)超巨洞大小和性質(zhì)的更精確測(cè)量。他們也將有望判定在前景方向上是否還存在稍小一些的巨洞，因?yàn)槿绻闆r果真如此，它也將幫助增加CMB中異常低溫區(qū)的降溫幅度。再或者，也許情況是這樣的：CMB中之所以會(huì)出現(xiàn)低溫幅度如此之大的異常區(qū)域，是因?yàn)槠湓揪痛嬖谝恍囟壬陨缘陀谥車膮^(qū)域，然后在這樣一個(gè)區(qū)域上又疊加了一個(gè)超巨洞產(chǎn)生的低溫效果。
不過，盡管有這樣那樣的理論觀點(diǎn)分歧，物理學(xué)家們還不至于晚上睡不著覺。正如英國杜倫大學(xué)天體物理學(xué)家卡洛斯·弗蘭克(Carlos Frenk)所言：“到目前為止，由于不確定性太大，你還不必要到晚上失眠的地步?！钡退麄€(gè)人而言，他表示自己的直覺是，隨著越來越多數(shù)據(jù)的獲得以及進(jìn)一步分析工作的進(jìn)行，超巨洞模型的理論最終將會(huì)被確認(rèn)是正確的。他說：“很有可能這個(gè)理論最終會(huì)被證明是正確的?！?/p>
如果情況果真如此，那么這種CMB中的低溫異常區(qū)將會(huì)成為對(duì)超巨洞這種天體的首次觀測(cè)測(cè)量工作，這種宇宙結(jié)構(gòu)經(jīng)由ISW效應(yīng)在CMB信號(hào)中留下了自己的痕跡。這項(xiàng)工作非常重要，光是想到超巨洞驚人的規(guī)模便已經(jīng)令人驚訝不已。但這種龐然大物的重要性還不限于此，正如薩普迪所言：“我們將擁有研究暗能量的嶄新途徑，要知道暗能量是宇宙中最詭異的存在?！?/p>
之所以會(huì)產(chǎn)生ISW效應(yīng)，完全是因?yàn)槲覀兊挠钪嬲诩铀倥蛎?，而推?dòng)宇宙這樣加速膨脹的原動(dòng)力則正是這種神秘的暗能量。通過對(duì)超巨洞引發(fā)ISW效應(yīng)的研究，科學(xué)家們將能夠探查暗能量在其中施加的影響，從而加深我們對(duì)其行為模式以及本質(zhì)的理解。
但就目前的情況而言，關(guān)于CMB中異常低溫區(qū)的謎題仍然存在著。正如弗蘭克所言：“我們只是不知道這故事的結(jié)局，沒有任何人知道。”
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。