我们生活在一个不对称的宇宙中吗？

如果你的生活有时似乎漫无目的，你或许可以理所当然地归咎于宇宙。

根据现代物理学的关键原则，宇宙在数十亿光年的尺度上是“各向同性的”——这意味着它在每个方向上都应该具有相同的外观和行为。自从大约140亿年前的大爆炸以来，宇宙应该在所有地方都以相同的方式膨胀。这种预期与天文学家观察到的大爆炸全天空余辉的平滑均匀性相符：宇宙微波背景（CMB）。然而，现在，一项针对天空各处星系团距离的X射线巡天表明，一些星系团的距离比各向同性预测的要近或远得多。这一发现可能表明宇宙实际上是“各向异性的”——在某些区域的膨胀速度比其他区域更快。对于任何寻求宇宙借口来解释个人不幸的人，我们深感抱歉，也许宇宙并非完全漫无目的。

这种可能的各向异性证据来自一个由德国波恩大学的天文学家康斯坦丁诺斯·米加斯领导的国际团队。它依赖于美国宇航局的钱德拉X射线天文台、欧洲航天局的XMM-牛顿卫星和日本宇宙学和天体物理学高级卫星对近850个星系团的新数据或存档数据。

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这项研究发表在四月份的《天文学与天体物理学》杂志上，它将每个星系团都视为一座灯塔——通过衡量每个星系团的亮度或暗度来估算它们的距离。通过测量给定星系团中稀薄热气体发出的X射线的种类和数量，该团队可以确定该气体的温度。这样做使研究人员能够估计星系团的X射线光度——从而得出其距离。接下来，他们通过一种独立的技术计算了每个星系团的光度，这种技术部分依赖于先前确定的宇宙膨胀率。通过比较这两个独立的星系团光度值，米加斯和他的同事能够探测整个天空宇宙膨胀率的潜在偏差，揭示了两个区域，这些区域的星系团比预期亮或暗约30%（因此可能更近或更远）。

米加斯说：“我们成功地确定了一个似乎比宇宙其余部分膨胀得慢的区域和一个似乎膨胀得更快的区域。” “有许多使用光学超新星和红外星系的研究也检测到与相同方向相似的各向异性。而且也有许多使用类似数据集的研究没有显示任何各向异性！因此，情况仍然不明朗。我们不主张知道各向异性的起源，只知道它们确实存在。”

令人震惊、令人沮丧的各向异性

各向异性的宇宙将动摇物理学的支柱，要求对当前关于宇宙演化的思维进行重大修正。“如果[宇宙的增长]在不同方向上确实不同，那将给宇宙学关于足够大的空间区域内膨胀均匀性的假设带来全新的问题，”密歇根州立大学的天体物理学家梅根·多纳休说，她没有参与这项研究。她补充说，不对称的膨胀“将是令人震惊和沮丧的”，因为它将表明我们对宇宙大尺度结构和演化的理解是深刻的——也许是永久性的——不完整。

为了解释这种现象——并使其与CMB中看到的近乎完美的各向同性相协调——宇宙学家可能会转向暗能量，这种神秘的力量正在驱动宇宙加速膨胀。也许，在CMB描绘的“早期”宇宙和过去几十亿年的“晚期”宇宙之间的漫长岁月中，暗能量的影响在宇宙的某些特定部分变得更强，从而造成了不对称的膨胀。

研究合著者、波恩大学的托马斯·莱普里希在最近的声明中说：“如果发现暗能量在宇宙的不同部分具有不同的强度，那将是了不起的。” “然而，还需要更多证据来排除其他解释并做出令人信服的论证。”

或者，宇宙可能根本不是不对称的：异常的星系团可能被卷入“整体流动”中，被更大、更遥远的星系团的引力所拉扯而偏离原位，有点像在湍急的河流中随波逐流的船只。但是大多数宇宙学家并没有预料到整体流动会发生在研究探测到的极其大的尺度上，该研究的测量范围约为50亿光年。

米加斯说：“很可能是一种整体流动。” “然而，这也将非常重要，仅仅是因为大多数研究都没有考虑到这一点！如果人们没有对这些运动进行适当的校正，任何现有的整体流动都可能严重影响我们的结果和测量。”

宇宙盲点

当然，最明显的解释是，星系团间距的明显不对称性是由于数据或分析中的缺陷造成的。然而，这种情况仍然可能需要更新科学家对误差如何渗入他们对宇宙距离的最佳估算的理解。

约翰·霍普金斯大学的天文学家亚当·里斯说：“使用星系团作为宇宙学探测器的研究已经给出了一些令人困惑的结果有一段时间了，”他没有参与米加斯团队的研究，他引用了其他研究人员的最新分析，这些分析突出了基于星系团的工作与其他测量技术之间的不一致性。这些不一致性表明，星系团的X射线温度与其光度之间的相关性不如研究人员希望的那样清晰。此外，里斯说，在银河系中还有其他潜在的问题需要处理：即我们星系的充满气体和尘埃的圆盘，它以各种令人烦恼的方式遮蔽了天文学家对更广阔宇宙的视野。他说，米加斯和他的同事们确定的最大明显宇宙各向异性区域与银河系吸收X射线的气体和尘埃最厚的区域相邻，这可能并非巧合。“他们声称宇宙的怪异方向就在我们的盲点中，”里斯补充道。“这似乎很可疑！”

普林斯顿大学和纽约市熨斗研究所的宇宙学家大卫·斯珀格尔也怀疑基于星系团的测量存在缺陷——部分原因是如此多的其他技术提供了根本冲突的结果。他说：“如果[它是]真的，这是一篇非常重要的论文，但不太可能是真的。” “我们有许多更准确的各向异性测试，基于对[CMB]和大规模结构的观测。这些观测更简单、更清晰，并且已经在多种不同的方式中得到重现。” 他说，新研究提出的规模的各向异性将导致CMB中的波动比天文学家观察到的亮1000倍。

即便如此，米加斯和他的同事们认为，要果断地排除或支持不对称的宇宙，需要对大规模宇宙结构进行额外的、更全面的探测。他们现在正在CMB地图中寻找星系团各向异性的进一步线索，并寻求通过互补的红外观测来验证他们基于X射线的星系团研究。最终的结论性结果可能来自新的太空望远镜——例如德国-俄罗斯的eROSITA X射线天文台或欧洲航天局即将到来的欧几里得任务——这些望远镜将对整个天空的星系团进行更深入、更广泛的巡天。

米加斯说：“总的来说，我们认为应该有越来越多的人关注宇宙的各向同性——寻找新的方法和工具来做到这一点——考虑到这对标准宇宙学具有巨大的意义。” “如果我们能够一劳永逸地知道晚期宇宙看起来是否是各向同性的，那就太好了。”