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大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”  

2015-08-26 12:20:20|  分类: 地理科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”(组图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客
 宇宙微波背景辐射(CMB),这是宇宙大爆炸时留下的余晖。
大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”(组图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客 
正在太空工作的美国宇航局“威尔金森各向异性探测器”(WMAP)。

  大约在10多年前,天文学家们在测量宇宙温度的时候注意到一个有些奇怪的现象,那就是在天空中有一片宽度大约与20个满月相当的区域,这里的温度异常的低。

  天文学家们所测量的是弥漫整个宇宙的微波辐射,那是宇宙大爆炸时留下的余晖。对这种宇宙微波背景辐射(CMB)的观测让科学家们能够窥见宇宙诞生早期,年龄仅约40万年时的情景。

  宇宙微波背景辐射在整个夜空几乎均匀地分布,各个方向都是一样的,温度都是大约2.725K,仅比绝对零度高出一点点。然而借助美国宇航局先进的“威尔金森各向异性探测器”(WMAP),天文学家们可以识别出这一温度背景上10万分之一的变化。这种细微的温度差异是宇宙诞生时量子泡沫涨落留下的产物,这种随机涨落能够帮助天文学家们理解宇宙的组成以及它的形成机制。

大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”(组图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客
 示意图:加速膨胀的宇宙。
大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”(组图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客
   宇宙微波背景辐射在整个夜空几乎均匀地分布,各个方向都是一样的,温度都是大约2.725K,仅比绝对零度高出一点点。

  在所有这些温度背景的起伏中,就存在着一个寒冷的点。多年来,天文学家们提出了各种理论试图对此给出合理解释,从仪器误差到平行宇宙,不一而足。而现在,天文学家们将注意力集中到了其中的一种理论上:宇宙中存在一种巨大的空洞,被称作“宇宙超巨洞”,它们很可能是宇宙中最大的结构。

  在这些空洞中几乎不存在任何的恒星或星系。根据理论,这样巨大的空洞会在宇宙微波背景辐射中留下低温区域。因此对于宇宙中的神秘低温区,其背后的答案或许仅仅就是巨大的空洞结构而已。然而,相关的故事还远远没有完结。

  CMB中的异常低温区

  在宇宙微波背景辐射(CMB)中,低温点还并非唯一让人感到奇怪的地方。科学家们还发现了其他一些异常之处。比如说,半个天空的CMB信号似乎要比另外半个天空的信号更强一些。标准的宇宙学理论无法完全解释这些异常。但在所有这些异常中,异常低温区域的存在是最引人瞩目的。

  对此,最简单的解释是认为这根本就不是什么异常情况,而只不过是CMB背景中随机出现的温度分布而已。当你丢100次硬币,你总会有20次,30次或是50次机会是头像一面朝上的。因此,科学家们首先面对的一项挑战便是,他们必须判断,这一现象究竟只是随机因素的结果,还是的确有着背后的原因。对于异常低温区而言,数据表明其可能只是随机事件的概率大约是1/200,——看来并非不可能,但这种可能性也非常小。

  一些科学家提出这种异常情况可能是由于观测仪器的误差或是数据分析的不当方式导致的假像。但在2013年,来自欧洲普朗克卫星的探测数据确认了此前美国的观测结果,CMB中的确存在异常的低温区域,现在它需要得到解释。

  目前占据主流地位的解释方案是所谓“宇宙超巨洞”(cosmic supervoid)理论。宇宙中所有的星系,恒星以及不可见的暗物质,全部都以一种类似蛛网的结构分布在空间之中,形成巨大的平面,扭结和条带。在这些结构之间便是被称作“巨洞”(voids)的巨大空旷区域。这些巨洞有着不同的形状和大小。而其中那些最为巨大的巨洞便会造成在CMB温度背景上出现异常低温区的假象。

  这一现象背后的原理是:当光线穿过一个巨大的巨洞时会损失能量,随着光波能量的耗散,其频率就会降低,光谱特征将向红端发生位移。和所有其他事物一样,光线会受到引力场的影响,引力会对光子产生作用。然而在巨洞内部,由于这里物质的密度极低,也就意味着几乎没有引力对光子产生影响。这样一来,对于一个光子来说,穿过一个巨洞就像是翻越一座高山,而爬山是需要消耗能量的。

  不过,光子可以将自己失去的能量再拿回来。一旦它们离开了巨洞,光线就将再次被物质包围,它将再次感受到引力的作用,并补充它在此前丢失的能量。

  宇宙的加速膨胀会让光子丢失能量。在光子艰难穿越巨洞的时候,整个宇宙正在加速膨胀。而当光子通过巨洞之后,由于宇宙在此期间的加速膨胀,此时的物质密度已经比它穿越巨洞之前更低了,这也就意味着光子所能感受到的引力作用的强度将不如此前,如此,光子也就无法完全恢复它在穿越巨洞期间所损失的能量。

  物理学家们早在上世纪60年代就已经从理论上预言了这种现象的存在,但从未有人实际观测到这一现象。然而,在CMB异常低温区被发现之后,一些天文学家,如美国夏威夷大学的伊斯特凡·萨普迪(Istvan Szapudi)等人开始着手搜寻这种现象真实存在的证据,即所谓“积分萨克斯-沃尔夫效应”(ISW effect)。2008年,他们真的找到了。

大爆炸余晖揭示神秘“超巨洞”(组图) - 月亮飞船 - 欢迎光临月亮飞船的博客
 计算显示的超巨洞的理论位置。

  奇异的超巨洞

  萨普迪无法分辨出单个的巨洞在CMB中留下的信号,因为他没有让他能够这样做的数据。相反,他和他的团队从大约100个巨洞以及星系群的数据中利用统计学方法搜寻整体层面上的ISW效应。与巨洞所产生的效果相反,星系群强大的引力会在CMB信号中形成“热点”。研究组在工作中找到了真正的ISW效应,其在CMB中产生了大约十万分之一开尔文,或10微开尔文(microkelvin)的温度变动。

  相比CMB中异常低温区温度低于CMB平均温度约70微开尔文的情况,由ISW效应产生的影响显然要小得多。但这项研究工作的主要目的是证明巨洞的确可以产生异常低温区。如果巨洞足够大,它是完全有可能产生这样程度的低温异常的。萨普迪表示:“如果低温区是CMB数据中最明显的异常,那么这很有可能就是存在一个超巨洞的信号,这种结构在宇宙中是非常罕见的。因此我认为我们现在就应该着手对其展开搜寻。”

  他在2010年开展的首次搜寻尝试最终以失败告终。这其中的原因之一可能就是因为数据非常有限,仅仅覆盖了异常低温区的少数几个点。不过,有意思的是,这项研究结果同时也暗示,可能存在着一个规模惊人的超巨洞。

  去年,他和他的团队再次进行尝试,这一次他们获得了比前一次多得多的数据,涵盖比前次多出200倍以上的天区面积,并覆盖了整个表现出低温异常的区域。有了这样涵盖数千星系的全面覆盖,初步研究结果显示其符合一个真正巨洞存在时的理论预期。数据结果是清晰无误的。萨普迪表示:“我们完全确定这就是一个巨洞。我甚至可以赌上我家的房子。”

  如果这真的是一个巨洞,那么这将是一个真正的庞然大物——它的半径约2.2亿秒差距,折合约7亿光年,这样惊人的尺度也使其成为宇宙中目前已知最大的物理结构。

  如此巨大的巨洞并不常见,很有可能只有很少的几个。而这样一个巨大的空洞却正好与同样罕见的CMB低温异常区相重合,很难认为这仅仅是一个巧合。而根据萨普迪的观点,更有可能的情况是,正是这一巨洞结构导致了这一低温异常区的产生。事实上,根据他的计算,这两者之间存在真实相互关系的可能性,相比仅仅是视线方向上的惊人巧合要高出大约2万倍。

  但他的一些同行们对此仍然还存有疑虑,如西班牙坎塔布里亚大学的天文学家佩特西罗·维尔瓦(Patricio Vielva)。维尔瓦曾经在2004年领导一个研究组最先发现了CMB信号中的异常低温区。在他看来,巨洞的罕见性仍然尚无定论。而如果最终能够证明在宇宙中这样的巨洞是广泛存在的,那么一个超巨洞的位置恰好与CMB中低温异常区的位置相重叠是由于视线方向重合所导致结果的可能性就会大大升高,或许这种重合仅仅就是一个简单的巧合而已。正是出于这一原因,研究人员目前急切地需要得到更多的数据来判断宇宙中这样的超巨洞究竟有多么罕见。维尔瓦表示:“在目前的阶段,我认为做这件事是最为重要的。”

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 有没有可能我们的宇宙中充满着“纹形”或缺陷。
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 当穿越巨洞时,光线会损失能量。
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 宇宙微波背景辐射(CMB)的产生过程示意图。

  “还不够冷”!

  然而前面还有一个更大的问题,那就是超巨洞似乎无法在CMB中导致这样大的温度异常。这样大的超巨洞大约只能在CMB中形成低于平均温度20微开尔文左右的低温异常区域,而现实是,观测到的CMB中低温异常幅度达到了70微开尔文左右,在部分区域,这样的异常甚至高达140微开尔文。

  对此,一种可能的解释是,这个超巨洞的规模可能比科学家们此前测定的更加巨大。如果这一情况属实,那么其产生的ISW效应将会更加强大。而考虑到萨普迪测定数据的不确定性,这个超巨洞的半径最大可能达到2.7亿秒差距。但即便如此,根据维尔瓦的计算,这样的一个超巨洞结构将仍然不足以产生科学家们在CMB信号中所观察到的那种幅度的低温异常。

  事实上,根据目前的宇宙学理论模型,我们的宇宙根本就不可能形成足以产生如此幅度低温异常的超巨洞结构。维尔瓦表示:“问题就在于,你想要用来解释这一现象的那种超巨洞,它根本就不存在。”

  可是,如果这种低温异常不是由于巨洞造成的,那还会是什么?维尔瓦认为,或许这与所谓“宇宙纹形”(cosmic texture)有关,低温异常区可能是宇宙中的一种拓扑缺陷(topological defect)。这就有点像水冰内部的裂隙或结构缺陷:当水结冰时,液态的水转变为固态的冰。而随着早期宇宙的演化,这些宇宙中的结构区域也经历了类似的相变过程。在水冰凝固的过程中,当水分子未能完美排列时就会出现内部的结构缺陷。而在宇宙中,则可能出现纹形,这也是一种缺陷。在2007年,维尔瓦帮助证明了,如果纹形的确存在,那么它就可以经由ISW效应而产生符合观测幅度的低温异常区。

  但“纹形”的概念仍然还只是一种理论猜测,没有任何实际观测证据可以证明其的确存在。瑞恩·冯-魏格特(Rien van de Weijgaert)是荷兰格丁根大学的一名天文学家,他表示:“纹形是一个非常漂亮的想法,但我们缺乏证据来证明它是否真实存在。”

  冯-魏格特指出,对于大多数天文学家而言,一个超巨洞的想法仍然是目前的最佳解释。他说:“到目前为止,这一想法仍然被视作是最令人信服的理论之一。只是在它能够产生的低温异常幅度方面可能还存在一些疑虑,但并没有到完全脱离实际的地步。”

  对此,维尔瓦也承认,超巨洞的想法非常吸引人,但在此之前,其无法在足够大的幅度上产生低温异常的问题必须得到解决。

  现在,科学家们需要更多的数据。举例来说,如果能有更多的数据,天文学家们就将能够获得有关超巨洞大小和性质的更精确测量。他们也将有望判定在前景方向上是否还存在稍小一些的巨洞,因为如果情况果真如此,它也将帮助增加CMB中异常低温区的降温幅度。再或者,也许情况是这样的:CMB中之所以会出现低温幅度如此之大的异常区域,是因为其原本就存在一些温度稍稍低于周围的区域,然后在这样一个区域上又叠加了一个超巨洞产生的低温效果。

    不过,尽管有这样那样的理论观点分歧,物理学家们还不至于晚上睡不着觉。正如英国杜伦大学天体物理学家卡洛斯·弗兰克(Carlos Frenk)所言:“到目前为止,由于不确定性太大,你还不必要到晚上失眠的地步。”但就他个人而言,他表示自己的直觉是,随着越来越多数据的获得以及进一步分析工作的进行,超巨洞模型的理论最终将会被确认是正确的。他说:“很有可能这个理论最终会被证明是正确的。”

  如果情况果真如此,那么这种CMB中的低温异常区将会成为对超巨洞这种天体的首次观测测量工作,这种宇宙结构经由ISW效应在CMB信号中留下了自己的痕迹。这项工作非常重要,光是想到超巨洞惊人的规模便已经令人惊讶不已。但这种庞然大物的重要性还不限于此,正如萨普迪所言:“我们将拥有研究暗能量的崭新途径,要知道暗能量是宇宙中最诡异的存在。”

  之所以会产生ISW效应,完全是因为我们的宇宙正在加速膨胀,而推动宇宙这样加速膨胀的原动力则正是这种神秘的暗能量。通过对超巨洞引发ISW效应的研究,科学家们将能够探查暗能量在其中施加的影响,从而加深我们对其行为模式以及本质的理解。

  但就目前的情况而言,关于CMB中异常低温区的谜题仍然存在着。正如弗兰克所言:“我们只是不知道这故事的结局,没有任何人知道。”

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