如何（几乎）没有什么可以解决宇宙学的最大问题？ 广达杂志

就像贫瘠沙漠中一座明亮的城市一样，我们的银河邻居被宇宙真空所包围——一个巨大的、几乎深不可测的空旷空间。 最近，天空观测发现了数千个这样的空气泡。 现在，研究人员找到了一种从这些宇宙空隙中提取信息的方法：通过计算一定体积的空间中存在多少个宇宙空隙，科学家们设计了一种新方法来探索宇宙学中两个最棘手的问题。

“这是我们第一次使用空数来提取宇宙学信息，”说 爱丽丝·皮萨尼，普林斯顿大学和熨斗研究所的宇宙学家，也是 新预印本 描述工作。 “如果我们想突破科学的界限，我们就需要超越已经做过的事情。”

研究人员一直在寻找新工具，部分原因是他们有一些重大谜团需要解决。 第一个也是最令人困惑的是宇宙膨胀的速度，这个值被称为 哈勃常数。 十多年来，科学家们一直在努力调和这一速率的相互矛盾的测量结果，有些人甚至称这个问题为“ 宇宙学最大的危机.

此外，研究人员还 相互矛盾的测量 宇宙物质的团块度——分布在整个宇宙中的大尺度结构、暗物质、星系、气体和空隙的平均密度，作为时间的函数。

通常，天文学家以两种互补的方式测量这些值。 奇怪的是，这两种方法对哈勃常数和所谓的物质聚集强度产生不同的值。

在他们的新方法中，皮萨尼和她的同事利用宇宙空洞来估计这两个值。 他们的早期结果似乎与其中一种传统方法比另一种方法更加一致，但现在却又使本已充满争议的分歧变得更加复杂。

“哈勃的紧张局势迄今为止已经持续了十年，因为这是一个难题，”说 亚当·里斯约翰·霍普金斯大学的天文学家利用超新星来估计哈勃常数。 “明显的问题已经得到检查，数据也有所改善，所以困境加深了。”

现在，人们希望几乎不研究任何东西都可以带来大成就。

建造泡沫

空隙是平均密度低于宇宙的空间区域。 它们的边界是由遍布宇宙的巨大星系片和细丝定义的。 有些空隙跨越数亿光年，这些气泡加起来至少占宇宙体积的 80%。 但很长一段时间，都没有人关注他们。 “我于 2011 年开始研究，当时大约有 200 个空隙，”Pisani 说。 “但现在我们大约有 6,000 人。”

气泡有膨胀的趋势，因为气泡内部没有太多物质可以施加向内的引力。 他们外面的东西往往会远离他们。 任何在空洞内开始的星系都会被定义空洞边缘的结构的引力向外拉。 皮萨尼说，正因为如此，在真空中“几乎不会发生什么事情”。 “没有合并，没有复杂的天体物理学。 这使得他们很容易对付。”

但每个空洞的形状都不同，这使得科学家很难识别它们。 “我们希望确保我们的空隙是坚固的，”皮萨尼说。 “它必须有多空，我该如何测量它？”

事实证明，“什么都没有”的定义取决于天文学家想要提取的信息类型。 Pisani 和同事从一种称为 Voronoi 图的数学工具开始，它可以识别构成 3D 马赛克的形状。 这些图表通常用于研究泡沫中的气泡和生物组织中的细胞等事物。

在当前的工作中，Pisani 和她的同事定制了 Voronoi 曲面细分，以识别来自名为“银河系测绘”的巨大银河测绘项目的数据中的约 6,000 个空洞。 重子振荡光谱调查 （老板）。

“空洞是对星系目录的补充，”说 本杰明万德尔特巴黎索邦大学的天体物理学家，并未参与这项研究。 “它们是探测宇宙结构的新方法。”

皮萨尼和同事获得了空洞图后，他们就开始研究它能揭示有关膨胀宇宙的什么信息。

什么都没有

每一个宇宙空虚都是宇宙大冲突的一个窗口。 一方面，存在暗能量，这种神秘的力量使我们的宇宙膨胀得更快。 暗能量甚至存在于真空中，因此它主导着真空物理。 冲突的另一面是重力，它试图将虚空拉到一起。 然后物质的团块会在空隙中增加皱纹。

皮萨尼和她的同事，包括 索菲亚·孔塔里尼 博洛尼亚大学的研究人员模拟了宇宙膨胀如何影响不同大小的空隙数量。 在他们的模型中，保持了一些其他宇宙学参数不变，较慢的膨胀速率产生了更高密度的更小、更皱巴巴的空隙。 另一方面，如果膨胀速度更快并且物质不那么容易结块，他们预计会发现更多 大而光滑的空隙。

然后，该小组将他们的模型预测与 BOSS 调查的观察结果进行了比较。 由此，他们能够估计团块度和哈勃常数。

然后，他们将他们的测量结果与两种传统的测量这些值的方法并列。 第一种方法使用一种称为 Ia 型超新星的宇宙爆炸。 第二个依赖于宇宙微波背景（CMB），即大爆炸留下的辐射。

空洞数据显示哈勃常数与 CMB 的估计值相差不到 1%。 团块性的结果更加混乱，但与 Ia 型超新星相比，它与 CMB 的一致性也更紧密。

令人困惑的是，BOSS 巡天中的空洞在空间和时间上都更接近最近的 Ia 型超新星，这使得空洞测量结果与原始宇宙微波背景更加接近，这有点令人惊讶。 不过，万德尔特表示，这些结果可能揭示对宇宙的新认识。

“有一种深刻的洞察力让我毛骨悚然，”他说。 在空隙内部，结构从未形成和演化，因此空隙“是早期宇宙的时间胶囊”。

换句话说，如果早期宇宙的物理学与当今的物理学不同，那么空隙可能会保留它。

缺勤的未来

其他人则认为从新结果中得出任何结论还为时过早。

即使有数千个空白，该研究的误差线仍然太大，无法得出任何结论。 “这个分析做得非常好，”说 露丝·杜勒日内瓦大学理论物理学家，没有参与这项研究。 但是，杜雷尔指出，结果尚未达到统计显着性。 “如果爱丽丝想加入哈勃常数测量的俱乐部，她必须达到 1% 的极限，这是一个巨大的挑战，”杜雷尔说。

皮萨尼说，她认为这项工作是概念的证明。 可能还需要十年的时间——以及美国宇航局南希·格蕾丝·罗马太空望远镜和 SPHEREx 天文台等未来任务的帮助——才能积累足够的空洞数据，以与相互冲突的 CMB 和 Ia 型超新星测量数据相媲美。

杜雷尔还指出，也许这些论点——调和宇宙紧张局势的尝试——都是无稽之谈，观测上的分歧可能指出了一个科学家不应该试图抹去的现实。

“超新星和宇宙微波背景小组正在进行的测量非常非常不同，”她说。 “所以可能有新的物理学可以解释为什么我们不应该看到同样的事情。”

编者注：爱丽丝·皮萨尼 (Alice Pisani) 获得来自 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.