相互冲突的宇宙数字挑战了我们最好的宇宙理论广达杂志

2000 年代初期，宇宙学家似乎已经解决了最大、最复杂的难题：宇宙是如何运作的。

“有一个令人惊奇的时刻，突然之间，宇宙学中的所有部分都断裂在一起，”说 J·科林·希尔哥伦比亚大学理论宇宙学家。

希尔说，研究宇宙的所有方法——绘制星系及其更大的结构、捕捉被称为超新星的灾难性恒星爆炸、计算到变星的距离、测量早期宇宙残留的宇宙辉光——讲述的故事“似乎是重叠的”。

将这些故事粘合在一起的粘合剂早在几年前，也就是 1998 年就被发现了：暗能量，一种神秘的力量，它不但没有将宇宙粘合在一起，反而以某种方式导致宇宙更快地膨胀，而不是随着时间的推移而减慢速度。当科学家将这种宇宙物体纳入他们的宇宙模型时，理论和观察就相互结合了。他们起草了现在被称为宇宙学标准模型的 Lambda-CDM，其中暗能量构成了宇宙的近 70%，而另一种神秘的黑暗实体——一种似乎只与正常物质相互作用的看不见的质量通过重力——约占 25%。剩下的 5% 是我们能看到的一切：天文学家研究了数千年的恒星、行星和星系。

但那一刻的平静只是斗争时期的短暂休息。随着天文学家在整个宇宙时间范围内对宇宙进行更精确的观测，标准模型中开始出现裂缝。一些麻烦的最初迹象来自于测量 变星 和 超新星 在一些附近的星系中——与残余的宇宙辉光相比，观察结果表明，我们的宇宙按照与我们想象的不同的规则运行，并且定义宇宙飞散速度的一个关键宇宙学参数会随着你的观察而发生变化。 用不同的尺度来衡量.

宇宙学家遇到了一个问题——他们称之为紧张，或者，在他们更戏剧性的时刻， 危机.

自从第一个裂缝出现以来，这些不一致的测量结果在十年左右的时间里变得更加明显。这种差异并不是宇宙学标准模型面临的唯一挑战。对星系的观测表明， 宇宙结构聚集在一起 随着时间的推移，我们对今天的宇宙应该如何从嵌入早期宇宙的种子中生长出来的最佳理解可能会有所不同。更微妙的不匹配来自对宇宙最早的光的详细研究。

其他不一致之处也比比皆是。 “其他地方还有许多更小的问题，”说 埃莱奥诺拉·迪·瓦伦蒂诺谢菲尔德大学理论宇宙学家。 “这就是令人费解的原因。因为这不仅仅是这些大问题。”

为了缓解这些紧张局势，宇宙学家正在采取两种互补的方法。首先，他们正在继续对宇宙进行更精确的观测，希望更好的数据能够揭示如何继续进行的线索。此外，他们正在寻找方法巧妙地调整标准模型以适应意外的结果。但这些解决方案往往是人为的，如果它们解决了一个问题，往往会让其他问题变得更糟。

“现在的情况看起来一团糟，”希尔说。 “我不知道该怎么办。”

扭曲的光

为了描述我们的宇宙，科学家们使用了一些数字，宇宙学家称之为参数。这些值所指的物理实体都是巨型宇宙机器中的所有齿轮，每个部分都相互连接。

这些参数之一与质量聚集在一起的强度有关。这反过来又告诉我们暗能量是如何运作的，因为它加速向外的推力与宇宙质量的引力相冲突。为了量化团块，科学家使用了一个称为 S₈。解释说，如果该值为零，则宇宙没有变化，也没有结构 杉山须直宾夕法尼亚大学的观测宇宙学家。它就像一片平坦、毫无特色的草原，甚至没有蚁丘来破坏景观。但如果 S₈ 越接近 1，宇宙就像一座巨大的、锯齿状的山脉，巨大的致密物质团块被虚无的山谷隔开。普朗克航天器对极早期宇宙（第一批结构种子在此扎根）进行的观测发现，值 0.83.

但对最近宇宙历史的观察并不完全一致。

为了将当今宇宙的团块与婴儿宇宙的测量结果进行比较，研究人员调查了物质在大片天空中的分布情况。

考虑可见星系是一回事。但绘制这些星系所在的隐形网络则是另一回事。为了做到这一点，宇宙学家观察了星系光线中的微小扭曲，因为光线在宇宙中编织时所采取的路径会随着光线被不可见物质的引力而偏转而扭曲。

通过研究这些扭曲（称为弱引力透镜），研究人员可以追踪暗物质沿着光所经过的路径的分布。他们还可以估计星系的位置。掌握了这两种信息后，天文学家就可以创建宇宙可见和不可见质量的 3D 地图，这使他们能够测量宇宙结构的景观如何随着时间的推移而变化和增长。

在过去的几年里，三项弱透镜巡天绘制了大片天空的地图：暗能量巡天（DES），使用智利阿塔卡马沙漠的望远镜；同样在智利的千度调查（KIDS）；最近，夏威夷斯巴鲁望远镜的 Hyper Suprime-Cam (HSC) 进行了一项为期五年的调查。

几年前，DES 和 KIDS 调查得出 S₈ 值低于普朗克的值——这意味着山脉和山峰比原始宇宙汤所建立的更小。但这些只是我们对宇宙结构如何生长和聚集的理解中存在缺陷的诱人暗示。宇宙学家需要更多数据，并热切等待斯巴鲁 HSC 结果的发布 在一系列五篇论文中 在12月。

Subaru HSC 团队调查了数千万个星系，覆盖天空约 416 平方度，相当于 2,000 个满月。在他们的那片天空中，团队计算了 S₈ 值为0.78——与早期调查的初步结果一致，并且小于普朗克望远镜对早期宇宙辐射观测的测量值。斯巴鲁团队谨慎地表示，他们的测量结果只是“暗示”了紧张局势，因为他们还没有完全达到科学家所依赖的统计显着性水平，尽管他们正在努力在数据中添加另外三年的观察结果。

“如果这 S₈ 领导斯巴鲁 HSC 分析的杉山说：“紧张局势确实存在，但有些东西我们还不明白。”

宇宙学家现在正在仔细研究观测的细节，以找出不确定性的来源。首先，斯巴鲁团队根据大多数星系的整体颜色来估计其距离，这可能会导致不准确。 “如果你的[平均]距离估计错误，你关心的一些宇宙学参数也会错误，”团队成员说 雷切尔·曼德尔鲍姆 卡内基梅隆大学的。

最重要的是，这些测量并不容易进行，解释起来也很复杂。星系的扭曲外观与其实际形状之间的差异（识别不可见质量的关键）通常非常小，说 戴安娜·斯科格纳米利奥 美国宇航局喷气推进实验室。另外，地球大气层的模糊可以稍微改变星系的形状，这也是斯科格纳米利奥使用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜进行弱透镜分析的原因之一。

DES 和 KIDS 团队的科学家们加剧了混乱 最近重新分析了他们的测量结果 一起并得出 S₈ 值更接近普朗克结果。

所以目前来看，情况还很混乱。一些宇宙学家还不相信各种 S₈ 测量处于紧张状态。 “我认为没有明显迹象表明那里会发生重大灾难性失败，”希尔说。但是，他补充道，“可能会发生一些有趣的事情，这并非难以置信。”

裂缝明显的地方

十几年前，科学家们在另一个宇宙学参数的测量中首次看到了麻烦的迹象。但花了数年时间才积累了足够的数据，让大多数宇宙学家相信他们正在应对一场全面的危机。

简而言之，当今宇宙膨胀速度的测量值（称为哈勃常数）与从早期宇宙推断时得到的值不相符。这个难题被称为哈勃张力。

为了计算哈勃常数，天文学家需要知道物体的距离有多远。在附近的宇宙中，科学家使用称为造父变星的恒星来测量距离，这些恒星的亮度会周期性变化。其中一颗恒星从最亮到最暗的摆动速度与其辐射的能量之间存在着众所周知的关系。这种关系是在 20 世纪初发现的，天文学家可以通过它计算恒星的固有亮度，并通过将其与它看起来的亮度进行比较，他们可以计算出它的距离。

利用这些变星，科学家可以测量距我们约 100 亿光年的星系的距离。但为了看得更远一点，时间更早一点，他们使用了更亮的英里标记——一种称为 Ia 型超新星的特殊类型的恒星爆炸。天文学家还可以计算这些“标准蜡烛”的固有亮度，这使他们能够测量数十亿光年外的星系的距离。

在过去的二十年里，这些观测结果帮助天文学家确定了附近宇宙膨胀的速度：大约每兆秒差距每秒 73 公里，这意味着当你看得更远时，每兆秒差距（或 3.26 万光年） ）的距离，太空正在以每秒 73 公里的速度飞走。

但这种价值观与源自婴儿宇宙中另一位统治者的价值观发生冲突。

一开始，宇宙是灼热的等离子体，是基本粒子和能量的汤。 “这是一团糟，”说 维维安·普兰-德托勒蒙彼利埃大学宇宙学家。

在宇宙历史的几分之一秒内，发生了一些事件，也许是一段被称为暴胀的极端加速时期，在黑暗的等离子体中发出了震动——压力波。

然后，随着宇宙的冷却，被困在元素等离子雾中的光终于挣脱了出来。 Poulin-Détolle 说，这种光——宇宙微波背景光（CMB）——揭示了那些早期的压力波，就像冰冻湖的表面附着着及时冻结的重叠波峰一样。

宇宙学家测量了这些冻结压力波的最常见波长，并用它来计算哈勃常数的值 67.6 公里/秒/Mpc，不确定度小于1%。

这两个特别不一致的值——大约是 67 比 73——引发了宇宙学领域的一场激烈争论，至今仍未解决。

天文学家正在转向独立的宇宙英里标记。在过去的六年里， 温迪弗里曼 芝加哥大学的教授（他研究哈勃常数已有四分之一个世纪了）专注于一种通常生活在星系外部的古老红色恒星。在那里，更少的重叠明亮恒星和更少的尘埃可以导致更清晰的测量。利用这些恒星，弗里德曼和她的同事测量到了大约 70 公里/秒/Mpc 的膨胀率——“这实际上与造父变星非常吻合，”她说。 “但它也与微波背景非常吻合。”

她现在求助于 JWST 强大的红外眼来解决这个问题。她与同事一起测量到 11 个附近星系中这些巨型红星的距离，同时测量到这些星系中造父变星和一种脉动碳星的距离。他们预计将在今年春天的某个时候公布结果，但她说，“数据看起来确实非常惊人。”

“我很想看看他们发现了什么，”致力于理解宇宙模型的希尔说。这些新的观察结果会扩大宇宙学最喜欢的模型的裂缝吗？

新模式？

随着观测继续限制这些关键的宇宙学参数，科学家们正在尝试将数据拟合到宇宙运行方式的最佳模型中。也许更精确的测量可以解决他们的问题，或者紧张可能只是一些平凡事物的产物，比如所使用的仪器的怪癖。

或者模型可能是错误的，需要新的想法——“新物理学”。

希尔说：“要么我们不够聪明，无法提出一个真正适合所有情况的模型，要么“实际上可能有多种新物理学在起作用。”

它们可能是什么？希尔说，也许是一个新的基本力场，或者是我们尚不了解的暗物质粒子之间的相互作用，或者是我们对宇宙的描述中尚未包含的新成分。

一些新的物理模型对暗能量进行了调整，在宇宙早期、电子和质子相互碰撞之前增加了宇宙加速度。 “如果膨胀率能够以某种方式增加，那么在早期宇宙中只增加一点点，”他说。 马克·卡米恩科夫斯基约翰霍普金斯大学的宇宙学家说，“你可以解决哈勃张力。”

Kamionkowski 和他的一名研究生在 2016 年提出了这个想法，两年后他们 概述了一些签名 高分辨率宇宙微波背景望远镜应该能够看到。位于智利一座山上的阿塔卡马宇宙学望远镜确实看到了其中一些信号。但从那时起，其他科学家表明该模型 制造问题 与其他宇宙测量。

那种经过微调的模型，其中另一种类型的暗能量涌动片刻然后消失，太复杂了，无法解释正在发生的事情，说 德拉甘·胡特雷尔，密歇根大学理论宇宙学家。而其他针对哈勃张力提出的解决方案往往与观测结果的匹配度更差。他说，它们“无可救药地调整了”，就像故事太过具体，无法符合人们长期以来的观念，即简单的理论往往会战胜复杂的理论。

明年发布的数据可能会有所帮助。首先是弗里德曼团队对附近扩张率的不同探测的结果。然后在四月，研究人员将揭示迄今为止最大的宇宙学天空调查暗能量光谱仪器的第一批数据。今年晚些时候，阿塔卡马宇宙学望远镜团队和研究人员使用南极望远镜制作另一张原始背景图，可能会以更高分辨率发布微波背景的详细结果。对更遥远地平线的观测将来自欧洲航天局的欧几里得太空望远镜（2025 月发射的太空望远镜）和维拉·C·鲁宾天文台（智利正在建造的全天空测绘机器，将于 XNUMX 年全面投入运行）。

宇宙可能已有 13.8 亿年的历史，但我们对理解它以及我们在其中的地位的探索仍处于起步阶段。宇宙学中的一切都在 15 年前融合在一起，当时有一段短暂的平静时期，但后来证明这只是海市蜃楼。十年前出现的裂痕已经彻底裂开，在宇宙学最喜欢的模型中产生了更大的裂痕。

“现在，”迪瓦伦蒂诺说，“一切都变了。”

编者注：本文中提到的多位科学家均获得了来自 西蒙斯基金会，这也资助了这本社论独立杂志。 西蒙斯基金会的资助决策不会影响我们的覆盖范围。 更多细节是 可在这里.