幽灵萦绕着我们的星系，不仅穿墙而过，还轻松穿过整个行星甚至更重的天体。数万亿又数万亿的中微子此刻正悄无声息地穿过你的身体，就在你阅读这段文字的时候。这些亚原子幽灵被称为中微子，是炽热宇宙过程的先兆，例如为我们的太阳提供能量的核聚变以及预示着大质量恒星死亡的巨大超新星爆发。
然而，中微子不仅仅是宇宙信使；它们还通过影响星系等结构在很久以前的形成方式，帮助塑造宇宙的演化。中微子的移动速度非常快，以至于它们可以在被稠密区域的引力捕获之前传播很远的距离。这有助于粒子平滑物质开始聚集在一起的微小结块，从而使更大的结构更难形成。
更多地了解中微子为了解早期宇宙打开了一扇窗，但它们极其难以研究。它们几乎不与普通物质相互作用，因此需要最先进的技术才能探测到它们。
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中微子的一些基本特性——例如其质量，以及这种粒子的宇宙丰度——可能对星系和星系团的数量、大小和分布产生出乎意料的巨大影响。通过观察这些宇宙巨型结构，科学家们可以间接地推断出有关中微子的信息。他们基本上可以进行思想实验来倒带宇宙的创造过程，赋予中微子不同的特性，并回放一个虚拟宇宙，看看其新兴的巨型结构是否与真实宇宙的巨型结构相匹配。
科学家们最近利用扩展的伦琴成像望远镜阵列巡天（eROSITA）在一个特别宏大的规模上进行了这项研究。eROSITA 是一个德国制造的 X 射线望远镜，安装在绕轨运行的俄罗斯天文台 Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG)上，该天文台于 2019 年 7 月发射升空。利用 eROSITA 运行头六个月的数据——这些数据构成了迄今为止最详细的天体 X 射线源地图——科学家们在半个天空发现了超过 12,000 个星系团，通过周围稀薄的、温度达 1 亿度的气体晕发出的明显 X 射线辉光追踪每个星系团。他们上个月在预印本服务器 arXiv.org 上发布了他们的结果。
结合我们已经了解的中微子知识，研究人员对 eROSITA 数据中星系团子集的分析使他们能够微调描述粒子的模型，并更好地估计中微子质量。他们提出了中微子可能有多重的新上限。之前的质量范围在 0.06 到 0.74 电子伏特之间（一个电子伏特比一粒糖的质量小万亿亿倍）。eROSITA 的结果进一步限制了这个范围，表明上限为 0.22 eV，或者与其他数据结合时为 0.11 eV。
“自 1930 年代首次推测出中微子以来，我们一直在思考中微子的质量问题，”麻省理工学院物理学教授约瑟夫·福尔马乔说，他没有参与 eROSITA 项目。“目前，宇宙学对中微子质量的限制是最先进的。在整个宇宙弧线上获得精确测量是独特且非常引人注目的。”
福尔马乔指出，中微子的质量特别有趣，因为中微子与其他粒子非常不同。“我们认为它们的质量获取方式与其他所有粒子都不同，”他说。“这可能暗示着存在新的物理学。”
团块状宇宙
当一些研究人员在宇宙学标准模型的模糊边缘周围探索和探测时，“新物理学”正是他们热切寻求的东西。这个框架仅使用少数几个参数就非常成功地解释了宇宙的起源和演化。它的简洁性使其显得优雅，但许多科学家怀疑它需要进行重大调整，因为其预测与实际观测之间存在日益加剧的紧张关系。eROSITA 前所未有的数据提供了大量新的、独立的观测结果来进行测试，并可能缓解其中一些紧张关系。
eROSITA 探索的一个不一致之处与宇宙的团块程度有关。为了解释这个问题，我们将不得不回到 137 亿多年前，几乎回到宇宙的诞生之初。
早期宇宙充满了由电离粒子组成的热、稠密且不透明的雾。但是，在大爆炸后约 38 万年，膨胀的宇宙已充分冷却，原子得以形成，清除了雾气，使光可以自由传播。现代天文台今天将那种古老的光视为遍布天空的微波辉光，称为宇宙微波背景 (CMB)，欧洲航天局 (ESA) 的普朗克航天器等任务以惊人的精度审查了它的特性。普朗克的许多研究都集中在 CMB 中的微小温度波动上，科学家可以将这些波动与更大、更晚期的宇宙结构的出现联系起来。
那些微小的波动表明，早期宇宙并非完全均匀；密度存在微小的变化（就像饼干面团中的巧克力碎片，只是要微妙得多）。那些略微更结块的区域形成了最终星系的种子。研究 CMB 使科学家能够更好地了解宇宙的初始条件。然后，研究人员进行一场宏大的连点成线游戏，以弄清楚宇宙是如何产生我们今天看到的宏伟的星系集合的。
直到最近，一直存在一个大问题。理论上，人们应该能够将普朗克的 CMB 测量结果与标准宇宙学模型配对，从第一原理计算出其他望远镜可以在过去数十亿年的宇宙历史中看到和研究的星系团的团块程度。然而，来自几个独立仪器的观测结果不断得出与基于 CMB 的外推不一致的结果，这可能表明标准模型可能不太正确。
但是 eROSITA 的星系团聚结果标志着这种趋势可能发生巨大变化：它们与普朗克的 CMB 测量结果的外推相吻合，因此支持标准模型。“我们根本没有看到这种紧张关系，”德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所 (MPE) 的天体物理学家、eROSITA 星系团科学和宇宙学首席科学家埃斯拉·布尔布尔说。“这就引出了一个问题，即为什么几乎所有其他‘晚期宇宙’探测器都看到了差异。到底发生了什么？”
MPE 的博士后研究员、最近关于 eROSITA 星系团聚结果的预印本的主要作者维托里奥·吉拉尔迪尼认为，由于波长范围，该望远镜提供的测量结果优于其他天文台。“光学和红外望远镜可以帮助识别星系团，”他说，尽管此类望远镜可能难以区分星系团的真实成员与遥远的前景或背景中的天体。他说，X 射线测量更适合这项工作，因为它们在星系团中与星系相关的明亮 X 射线辐射与来自遥远背景中星系的较弱辐射之间提供了更高的对比度。
该望远镜使用 X 射线追踪弥漫和环绕星系团星系的广阔热气体云。这种所谓的星系团内介质的范围也有助于勾勒出暗物质晕，这些暗物质晕像无形的引力胶一样环绕和束缚星系团。“扫描 X 射线天空为我们提供了一种准确有效的方法来寻找星系团及其暗物质晕，”布尔布尔说。“地面光学望远镜可以找到它们，但作为一项全天巡天，eROSITA 不受天空某些区域的限制。我们可以汇编庞大而纯净的样本。”
利用这些样本，科学家们通过确定正常物质和暗物质的丰度，以及星系团和它们分布形成的巨大丝状结构、薄片和空洞的普遍程度来测量宇宙的团块性。“通过 eROSITA，我们发现了宇宙中最大的暗物质晕，通过计数它们并测量它们的质量，我们发现的结果与普朗克一致，”布尔布尔说。“因此，我们是罕见的晚期宇宙探测器，证实了普朗克的发现。”
但一些科学家并不信服。“我认为目前尚不清楚这些数据是否真的消除了紧张关系，”加州理工学院红外处理和分析中心的高级研究科学家、未参与 eROSITA 项目的王云说。她指出，eROSITA 对物质团块性和密度的联合约束仅与普朗克的约束略有吻合。“但在我看来，这只会让它更加令人兴奋。这里我们拥有最大、质量最高的星系团数据集，结果可以有多种解释。或许分析更多的 eROSITA 数据会提供线索。”
其他任务的新结果可能会提供更多线索，例如即将到来的欧空局欧几里得太空望远镜的宇宙学测量结果，该望远镜于 2023 年 7 月发射升空，其任务是绘制过去 100 亿年左右宇宙历史中星系的大小、形状和分布图。
暗物质之谜
eROSITA 团队表示，他们的发现还以另一种方式支持了标准宇宙学模型。
大量数据决定性地指向某种神秘的力量在某种程度上加速了宇宙的膨胀。尽管目前尚无人知晓它是什么，但科学家们将罪魁祸首称为暗能量。研究它的一种方法是尝试确定其状态方程，该方程本质上描述了其加速膨胀的压力如何取决于其密度。
这通常是一个简单的关系；如果你压缩普通物质，它的压力就会增加。但是暗能量必须具有负压才能解释其驱动宇宙膨胀加速的排斥效应。“它的状态方程为我们提供了暗能量可能是什么的重要线索，”王云说。
为了弄清楚它的状态方程，科学家们正在探索暗能量的密度是否随着宇宙的膨胀而减弱——或者，就此而言，它的排斥效应是否变得更强。标准模型通过暗示其密度应保持不变来消除差异。然而，没有已知的物理学可以解释这种恒定密度，这种密度必须非常小。“我们必须努力找出暗能量的密度是否恒定，”王云说。“无论如何，这将对粒子物理学产生根本性的影响。”
“我们可以约束暗能量的状态方程，因为看到宇宙中有多少暗物质晕作为距离的函数，可以告诉我们宇宙的膨胀率，”吉拉尔迪尼说。标准模型说暗能量的状态方程应该是 -1。eROSITA 推导出的估计值为 −1.12 ± 0.12––与标准模型保持一致。“因此，这是这些测量结果带来的真正壮观的东西，”他说。
科学，中断
所有这些结果都源于仅仅半年的观测时间——在这段时间里，eROSITA 在缓慢扫描天空时能够完成一次全天空扫描。最新的结果只利用了这些数据的一半，这是因为任务的起源和地缘政治的混乱混合。
作为一个德俄联合项目，eROSITA 测量数据的独家访问权在这两个国家之间分配，天空南半球的数据分配给一个位于德国的团队，而不同的俄罗斯团队获得北半球的数据。eROSITA 在 2019 年发射后不久开始观测，并在其科学合作伙伴关系被俄罗斯入侵乌克兰破坏之前完成了四次全天空巡天。此后不久，德国政府冻结了与俄罗斯的这项合作，eROSITA 被置于安全模式。它仍然可以正常运行，但目前没有进行新的观测。俄罗斯团队使用其 eROSITA 数据份额的工作状态尚不确定；在本文付印时，尚未收到对该团队置评请求的回复。
目前尚不清楚 eROSITA 是否会以及何时会再次开始扫描天空，但科学家们在此期间仍有工作要做，因为该任务的大部分数据仍未公布。对于布尔布尔、吉拉尔迪尼及其在德国团队的同事来说，计划是在未来两年左右的时间里汇编来自其他三次巡天的一半数据，以产生更严格的宇宙学约束。
“理解暗能量状态方程并弄清楚中微子的质量有可能彻底改变物理学，”吉拉尔迪尼说。“eROSITA 在宇宙学研究中具有突破性的能力。”
目前，我们将继续徘徊在可能具有超越意义的宇宙学结果的边缘，新的观测因令人沮丧的世界局势而受阻。看来我们人类仍在决定是深化我们对宇宙的理解，通过绘制天空中神秘的图案，还是继续我们在地球地图上绘制的虚构界线上的冲突和分裂。