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宇宙中最大的结构:或许能解答“冷点”之谜

时间:2016-11-16 12:27:23 点击:

  核心提示:宇宙微波背景辐射威尔金森微波各向异性探测器  新浪科技讯 北京时间7月28日消息,据国外媒体报道,十多年前,天文学家在测算宇宙温度的时候发现了一些不同寻常的东西。他们发现,天空中有一片区域——跨度约为...

 

宇宙微波背景辐射

威尔金森微波各向异性探测器

  新浪科技讯 北京时间7月28日消息,据国外媒体报道,十多年前,天文学家在测算宇宙温度的时候发现了一些不同寻常的东西。他们发现,天空中有一片区域——跨度约为20个月亮的宽度——温度特别低。

  当时,天文学家正在对宇宙中无处不在的微波背景辐射进行测量。宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB)是大爆炸事件的残留,产生于大爆炸之后不到40万年的时候,通过对其进行测量,可以了解原始宇宙的状态。

一个宇宙扩张的模型

从地球的角度绘制宇宙微波背景辐射的分布图

  微波背景辐射覆盖着整个天空,而且所有地方的辐射似乎都差不多,温度也都很低,只有2.725开氏度(K),仅比绝对零度高一点。不过,利用刚发射不久的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP),天文学家能探测到十万分之一开氏度的极细微温度变化。而通过测量宇宙大爆炸之后极短时间内的随机温度变化,可以帮助天文学家更深入地了解宇宙的组成和未来的走向。

  从这些温度变动数据的分析中,可以明显看到一个“冷点”(cold spot)的存在。多年以来,天文学家提出了各种各样的理论来解释它,包括仪器误差、平行宇宙等等。现在,他们回到了最初的推断:存在着一个超级宇宙空洞,其范围之大,很可能是宇宙中最为巨大的结构。

  根据这一理论,这样一个巨大空洞——里面不存在任何恒星或星系——能够保留下宇宙微波背景辐射的印记。谜题依然存在,而且还远没有解决。

超级空洞在宇宙中的位置

宇宙中是否到处存在着纹理和缺陷

  冷点如何产生

  冷点并非宇宙微波背景辐射中最古怪的东西。科学家已经发现了其他一些异常现象,如一半天空的辐射信号似乎比另一半要强。宇宙学标准理论曾对微波背景辐射的细节进行了预言,但也无法完全解释这些异常,而冷点是其中最为突出的。

  对这些异常现象最简单的解释是将它们视为侥幸发生的事件。当你扔一百次硬币时,有20、30甚至50次会看到人的头像朝上。科学家的挑战在于,找出这些异常现象是因为运气,还是因为硬币的其中一面更重。对于冷点,数据显示其侥幸发生的概率仅有1/200。因此,侥幸并非不可能发生,但概率很小。

  一些科学家提出,冷点是由于仪器的误差导致的,或者是因为数据分析的方式有误。但是,2013年普朗克卫星的观测证实了之前对冷点的探测结果。显然,这意味着需要有一个理论来进行解释。

  目前获得最多支持的假说认为,这是一个宇宙超级空洞。宇宙中的所有物质——各个星系和看不见的暗物质——以巨大的网状形式在空间中伸展开来,这个网由各种片层、卷须和细丝构成。网中间空虚的部分被称为“空洞”(void),形状和大小各不相同。大型的空洞具有类似某种扭曲棱镜的作用,使宇宙微波背景辐射看起来比真实温度更低。

  这种作用的原理是:当光经过空洞时会损失能量,而且频率会降低,即转移到光谱中更红的一端。与大多数事物一样,光很容易受到引力的影响,后者在光的传播过程中能一直对光子施以作用。然而,在空洞内部,物质的缺乏导致光几乎不会受到任何引力的影响。对光子来说,穿越空洞就如同爬上一座高山,而爬山是要耗费能量的。

  不过,光子可以重新获得这些能量。一旦光子穿过空洞,其周围再次充满了物质,在引力的牵引下,光子又重新充满了能量。

  要使光子失去能量,你需要一个不断扩张的宇宙。在光子穿行于空洞内部时,宇宙也在越来越快地进行膨胀。当光子离开空洞的时候,由于宇宙膨胀,所有的物质变得更加稀薄;而由于物质的分布越来越分散,产生的引力效应就不像原来那么强。这些引力无法像原来一样将光子牵引起来,它也就无法恢复到原先的能量状态。

  物理学家在20世纪60年代末期提出了这一现象,但至今还没有确实观测的证据。不过,在冷点被观测到之后,许多天文学家,如夏威夷大学的Istvan Szapudi等人就开始寻找这一现象,即萨克斯·瓦福效应(integrated Sachs-Wolfe,ISW)的证据。2008年,他有了发现。

光在穿过空洞时会损失能量

宇宙的诞生与微波背景辐射的产生

  令人惊叹的超级空洞

  由于缺乏数据,Szapudi还无法鉴别出在微波背景辐射中留下印记的单个空洞。相反地,他和同事在100个空洞和星系团的统计分析中,搜寻所有ISW效应的证据。其中,星系团的引力形成了加热效应,并在宇宙微波背景辐射中留下了“热点”。研究者发现了一个真实的ISW效应,它使宇宙微波背景辐射出现了平均约十万分之一开氏度,即10 microkelvin的温度变化。

  与比宇宙微波背景辐射平均低70 microkelvin的冷点相比,ISW效应显然小很多。不过,寻找ISW效应的意义在于表明空洞能产生冷点。如果一个空洞足够大,那它就应该具备形成冷点的能力。“如果这个冷点是宇宙微波背景辐射中最大的异常,那它就很可能是一个巨大空洞的标志——宇宙中一个极其罕见的空洞,” Szapudi说,“因此,我认为我们现在就应该去寻找它。”

  Szapudi的第一次尝试是在2010年,结果徒劳无功。由于数据有限,只能覆盖冷点内很小的一部分。有趣的是,这些结果显示在距离地球不到30亿光年的地方,可能存在着一个空洞。

  2014年,Szapudi和他的团队进行了再一次尝试。这一次他们获得了大量的数据,覆盖了比上一次多200倍的天空面积,并包含了整个冷点。如此庞大的覆盖范围——包括数以千计的星系——整合出了一个“诚意十足”的空洞。这些数据是毫不含糊的。“我们很肯定那里存在着一个空洞,” Szapudi说,“我能以我的房子担保。”

  而且,这个空洞是巨大的。它的半径是220百万秒差距(220 megaparsecs),超过7亿光年,这使它成为宇宙中最大(不是最大也是最大之一)的物理结构。

  Szapudi称,如此巨大的空洞是很不寻常的,宇宙中存在的类似结构可能屈指可数。而且,如此罕见的空洞与冷点——本身就很罕见——重叠,似乎并不仅仅是巧合。Szapudi认为,更有可能的是,正是空洞导致了冷点的形成。事实上,Szapudi计算的结果显示,空洞导致冷点形成的概率是二者刚好一块出现的两万倍。

  其他科学家并没有这么肯定,如西班牙坎塔布里亚大学的Patricio Vielva。这位在2004年领导发现了冷点的科学家认为,空洞的稀有性仍然存在疑问。如果发现类似的空洞其实广泛存在,那它与冷点的组合就不会如此令人惊奇了。

  或许这仅仅是个巧合,这也是科学家需要更多数据来判断超级空洞有多罕见的原因。“现在,我认为最重要的一件事是建设,” Patricio Vielva说道。

  还不够冷

  事实上,还存在一个更大的问题。

  超级空洞无法使微波背景辐射变得足够冷。尽管体积如此巨大,但这样的空洞只能使微波背景辐射冷却20 microkelvin。然而,冷点的温度平均比微波背景辐射低了70 microkelvin。在一些区域,温度的降幅甚至达到140 microkelvin。

  这种差异的一个可能原因是,空洞实际上比测量的结果还要巨大。如果真是这样,那么它的ISW效应就会更强。基于Szapudi等人测量结果的不确定性,空洞的半径可能会延伸到270百万秒差距。Vielva称,即便如此,这个空洞也不足以导致冷点的产生。

  事实上,根据现有的宇宙学理论,宇宙甚至可能无法形成足够大的空洞。“问题在于,这种效应所需的空洞其实是不存在的,” Vielva说道。

  如果不是一个空洞,那又会是什么呢?Vielva称,冷点或许源自宇宙纹理(cosmological texture)——宇宙的一种缺陷,如同冰块的裂缝或斑点。在早期的演化中,宇宙经历了一个相转化的过程,类似于水从液态凝结成固态冰的过程。在冰块中,你会发现由于水分子没有排列好导致的裂缝。在宇宙中也存在着类似的纹理。2007年,Vielva参与的研究发现,如果一个纹理存在,它可能会通过ISW效应产生出冷点。

  不过,宇宙纹理依然只是理论上的概念,没有任何证据显示它们真的存在。荷兰格罗宁根大学的天文学家Rien van de Weijgaert 说:“纹理是一个很不错的想法,但我们还没有线索来证明它们是否真的存在。”

  van de Weijgaert称,对大多数天文学家来说,超级空洞依然是最好的解释。“到目前为止,它还是被视为最可信的选项之一,”他说,“对于它产生的效应大小你可以有疑问,但它并非完全不可信。”当然,空洞假说确实很有趣,但温度的矛盾需要首先解决。

  更多的数据将会为天文学家提供帮助。例如,更多的观测将使天文学家获得更多有关空洞体积和性质的准确数据。他们也可能在超级空洞前方发现一个更小的空洞,能进一步使微波背景辐射降温。或许,冷点之所以如此寒冷,只是因为超级空洞刚好处于一个原本微波背景辐射温度就较低的区域。

 

  即使目前还无法获得更多的数据,我们也不必苦恼。英国达勒姆大学的天体物理学家Carlos Frenk说:“在现在这个点上,由于不确定性过于巨大,我们不应该为此牺牲太多睡眠。”他的直觉是,有了更多的数据和分析,超级空洞将最终成为正确的答案。

  如果真是如此,那冷点将成为代表一个物体——超级空洞——通过ISW效应留在微波背景辐射上的印记。这一设想非常重要,部分是因为超级空洞本身就非常巨大。超级空洞的重要性可能还体现在另一方面,Szapudi说:“我们有了另一个研究暗能量的方式,而暗能量是宇宙中最奇异的东西。”

  ISW效应的发生,源于宇宙膨胀的速度越来越快,而推动宇宙膨胀的神秘力量正是暗能量。通过测量超级空洞的ISW效应,天文学家便能探测暗能量的影响,并更好地理解暗能量的本质。

  不过,就目前而言,关于冷点谜题的求解还在继续。“我们并不知道故事的结局是什么,” Carlos Frenk说,“我想没有任何人知道。

作者:admin 来源:网络
 

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