宇宙中最大的結(jié)構(gòu)

1、宇宙中最大的結(jié)構(gòu)：或許能解答“冷點(diǎn)”之謎宇宙微波背景輻射威爾金森微波各向異性探測(cè)器新浪科技訊 北京時(shí)間7月28日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，十多年前，天文學(xué)家在測(cè)算宇宙溫度的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了一些不同尋常的東西。他們發(fā)現(xiàn)，天空中有一片區(qū)域跨度約為20個(gè)月亮的寬度溫度特別低。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家正在對(duì)宇宙中無(wú)處不在的微波背景輻射進(jìn)行測(cè)量。宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background，CMB)是大爆炸事件的殘留，產(chǎn)生于大爆炸之后不到40萬(wàn)年的時(shí)候，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，可以了解原始宇宙的狀態(tài)。一個(gè)宇宙擴(kuò)張的模型從地球的角度繪制宇宙微波背景輻射的分布圖微波背景輻射覆蓋著整個(gè)天空，而且所有地方的輻

2、射似乎都差不多，溫度也都很低，只有2.725開(kāi)氏度(K)，僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)。不過(guò)，利用剛發(fā)射不久的威爾金森微波各向異性探測(cè)器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)，天文學(xué)家能探測(cè)到十萬(wàn)分之一開(kāi)氏度的極細(xì)微溫度變化。而通過(guò)測(cè)量宇宙大爆炸之后極短時(shí)間內(nèi)的隨機(jī)溫度變化，可以幫助天文學(xué)家更深入地了解宇宙的組成和未來(lái)的走向。從這些溫度變動(dòng)數(shù)據(jù)的分析中，可以明顯看到一個(gè)“冷點(diǎn)”(cold spot)的存在。多年以來(lái)，天文學(xué)家提出了各種各樣的理論來(lái)解釋它，包括儀器誤差、平行宇宙等等?，F(xiàn)在，他們回到了最初的推斷：存在著一個(gè)超級(jí)宇宙空洞，其范圍之大，很可能是宇宙

3、中最為巨大的結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一理論，這樣一個(gè)巨大空洞里面不存在任何恒星或星系能夠保留下宇宙微波背景輻射的印記。謎題依然存在，而且還遠(yuǎn)沒(méi)有解決。超級(jí)空洞在宇宙中的位置宇宙中是否到處存在著紋理和缺陷冷點(diǎn)如何產(chǎn)生冷點(diǎn)并非宇宙微波背景輻射中最古怪的東西?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他一些異常現(xiàn)象，如一半天空的輻射信號(hào)似乎比另一半要強(qiáng)。宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論曾對(duì)微波背景輻射的細(xì)節(jié)進(jìn)行了預(yù)言，但也無(wú)法完全解釋這些異常，而冷點(diǎn)是其中最為突出的。對(duì)這些異常現(xiàn)象最簡(jiǎn)單的解釋是將它們視為僥幸發(fā)生的事件。當(dāng)你扔一百次硬幣時(shí)，有20、30甚至50次會(huì)看到人的頭像朝上。科學(xué)家的挑戰(zhàn)在于，找出這些異?，F(xiàn)象是因?yàn)檫\(yùn)氣，還是因?yàn)橛矌诺钠渲幸幻娓?/p>

4、。對(duì)于冷點(diǎn)，數(shù)據(jù)顯示其僥幸發(fā)生的概率僅有1/200。因此，僥幸并非不可能發(fā)生，但概率很小。一些科學(xué)家提出，冷點(diǎn)是由于儀器的誤差導(dǎo)致的，或者是因?yàn)閿?shù)據(jù)分析的方式有誤。但是，2013年普朗克衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)證實(shí)了之前對(duì)冷點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果。顯然，這意味著需要有一個(gè)理論來(lái)進(jìn)行解釋。目前獲得最多支持的假說(shuō)認(rèn)為，這是一個(gè)宇宙超級(jí)空洞。宇宙中的所有物質(zhì)各個(gè)星系和看不見(jiàn)的暗物質(zhì)以巨大的網(wǎng)狀形式在空間中伸展開(kāi)來(lái)，這個(gè)網(wǎng)由各種片層、卷須和細(xì)絲構(gòu)成。網(wǎng)中間空虛的部分被稱(chēng)為“空洞”(void)，形狀和大小各不相同。大型的空洞具有類(lèi)似某種扭曲棱鏡的作用，使宇宙微波背景輻射看起來(lái)比真實(shí)溫度更低。這種作用的原理是：當(dāng)光經(jīng)過(guò)空洞時(shí)會(huì)損

5、失能量，而且頻率會(huì)降低，即轉(zhuǎn)移到光譜中更紅的一端。與大多數(shù)事物一樣，光很容易受到引力的影響，后者在光的傳播過(guò)程中能一直對(duì)光子施以作用。然而，在空洞內(nèi)部，物質(zhì)的缺乏導(dǎo)致光幾乎不會(huì)受到任何引力的影響。對(duì)光子來(lái)說(shuō)，穿越空洞就如同爬上一座高山，而爬山是要耗費(fèi)能量的。不過(guò)，光子可以重新獲得這些能量。一旦光子穿過(guò)空洞，其周?chē)俅纬錆M(mǎn)了物質(zhì)，在引力的牽引下，光子又重新充滿(mǎn)了能量。要使光子失去能量，你需要一個(gè)不斷擴(kuò)張的宇宙。在光子穿行于空洞內(nèi)部時(shí)，宇宙也在越來(lái)越快地進(jìn)行膨脹。當(dāng)光子離開(kāi)空洞的時(shí)候，由于宇宙膨脹，所有的物質(zhì)變得更加稀??；而由于物質(zhì)的分布越來(lái)越分散，產(chǎn)生的引力效應(yīng)就不像原來(lái)那么強(qiáng)。這些引力無(wú)法像原

6、來(lái)一樣將光子牽引起來(lái)，它也就無(wú)法恢復(fù)到原先的能量狀態(tài)。物理學(xué)家在20世紀(jì)60年代末期提出了這一現(xiàn)象，但至今還沒(méi)有確實(shí)觀(guān)測(cè)的證據(jù)。不過(guò)，在冷點(diǎn)被觀(guān)測(cè)到之后，許多天文學(xué)家，如夏威夷大學(xué)的Istvan Szapudi等人就開(kāi)始尋找這一現(xiàn)象，即薩克斯瓦福效應(yīng)(integrated Sachs-Wolfe，ISW)的證據(jù)。2008年，他有了發(fā)現(xiàn)。光在穿過(guò)空洞時(shí)會(huì)損失能量宇宙的誕生與微波背景輻射的產(chǎn)生令人驚嘆的超級(jí)空洞由于缺乏數(shù)據(jù)，Szapudi還無(wú)法鑒別出在微波背景輻射中留下印記的單個(gè)空洞。相反地，他和同事在100個(gè)空洞和星系團(tuán)的統(tǒng)計(jì)分析中，搜尋所有ISW效應(yīng)的證據(jù)。其中，星系團(tuán)的引力形成了加熱效應(yīng)，并

7、在宇宙微波背景輻射中留下了“熱點(diǎn)”。研究者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真實(shí)的ISW效應(yīng)，它使宇宙微波背景輻射出現(xiàn)了平均約十萬(wàn)分之一開(kāi)氏度，即10 microkelvin的溫度變化。與比宇宙微波背景輻射平均低70 microkelvin的冷點(diǎn)相比，ISW效應(yīng)顯然小很多。不過(guò)，尋找ISW效應(yīng)的意義在于表明空洞能產(chǎn)生冷點(diǎn)。如果一個(gè)空洞足夠大，那它就應(yīng)該具備形成冷點(diǎn)的能力。“如果這個(gè)冷點(diǎn)是宇宙微波背景輻射中最大的異常，那它就很可能是一個(gè)巨大空洞的標(biāo)志宇宙中一個(gè)極其罕見(jiàn)的空洞，” Szapudi說(shuō)，“因此，我認(rèn)為我們現(xiàn)在就應(yīng)該去尋找它?！盨zapudi的第一次嘗試是在2010年，結(jié)果徒勞無(wú)功。由于數(shù)據(jù)有限，只能覆蓋冷點(diǎn)內(nèi)

8、很小的一部分。有趣的是，這些結(jié)果顯示在距離地球不到30億光年的地方，可能存在著一個(gè)空洞。2014年，Szapudi和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了再一次嘗試。這一次他們獲得了大量的數(shù)據(jù)，覆蓋了比上一次多200倍的天空面積，并包含了整個(gè)冷點(diǎn)。如此龐大的覆蓋范圍包括數(shù)以千計(jì)的星系整合出了一個(gè)“誠(chéng)意十足”的空洞。這些數(shù)據(jù)是毫不含糊的?！拔覀兒芸隙抢锎嬖谥粋€(gè)空洞，” Szapudi說(shuō)，“我能以我的房子擔(dān)保?！倍遥@個(gè)空洞是巨大的。它的半徑是220百萬(wàn)秒差距(220 megaparsecs)，超過(guò)7億光年，這使它成為宇宙中最大(不是最大也是最大之一)的物理結(jié)構(gòu)。Szapudi稱(chēng)，如此巨大的空洞是很不尋常的，宇宙中

9、存在的類(lèi)似結(jié)構(gòu)可能屈指可數(shù)。而且，如此罕見(jiàn)的空洞與冷點(diǎn)本身就很罕見(jiàn)重疊，似乎并不僅僅是巧合。Szapudi認(rèn)為，更有可能的是，正是空洞導(dǎo)致了冷點(diǎn)的形成。事實(shí)上，Szapudi計(jì)算的結(jié)果顯示，空洞導(dǎo)致冷點(diǎn)形成的概率是二者剛好一塊出現(xiàn)的兩萬(wàn)倍。其他科學(xué)家并沒(méi)有這么肯定，如西班牙坎塔布里亞大學(xué)的Patricio Vielva。這位在2004年領(lǐng)導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了冷點(diǎn)的科學(xué)家認(rèn)為，空洞的稀有性仍然存在疑問(wèn)。如果發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的空洞其實(shí)廣泛存在，那它與冷點(diǎn)的組合就不會(huì)如此令人驚奇了?；蛟S這僅僅是個(gè)巧合，這也是科學(xué)家需要更多數(shù)據(jù)來(lái)判斷超級(jí)空洞有多罕見(jiàn)的原因。“現(xiàn)在，我認(rèn)為最重要的一件事是建設(shè)，” Patricio Vie

10、lva說(shuō)道。還不夠冷事實(shí)上，還存在一個(gè)更大的問(wèn)題。超級(jí)空洞無(wú)法使微波背景輻射變得足夠冷。盡管體積如此巨大，但這樣的空洞只能使微波背景輻射冷卻20 microkelvin。然而，冷點(diǎn)的溫度平均比微波背景輻射低了70 microkelvin。在一些區(qū)域，溫度的降幅甚至達(dá)到140 microkelvin。這種差異的一個(gè)可能原因是，空洞實(shí)際上比測(cè)量的結(jié)果還要巨大。如果真是這樣，那么它的ISW效應(yīng)就會(huì)更強(qiáng)?；赟zapudi等人測(cè)量結(jié)果的不確定性，空洞的半徑可能會(huì)延伸到270百萬(wàn)秒差距。Vielva稱(chēng)，即便如此，這個(gè)空洞也不足以導(dǎo)致冷點(diǎn)的產(chǎn)生。事實(shí)上，根據(jù)現(xiàn)有的宇宙學(xué)理論，宇宙甚至可能無(wú)法形成足夠大的空

11、洞。“問(wèn)題在于，這種效應(yīng)所需的空洞其實(shí)是不存在的，” Vielva說(shuō)道。如果不是一個(gè)空洞，那又會(huì)是什么呢？Vielva稱(chēng)，冷點(diǎn)或許源自宇宙紋理(cosmological texture)宇宙的一種缺陷，如同冰塊的裂縫或斑點(diǎn)。在早期的演化中，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)相轉(zhuǎn)化的過(guò)程，類(lèi)似于水從液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)冰的過(guò)程。在冰塊中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)由于水分子沒(méi)有排列好導(dǎo)致的裂縫。在宇宙中也存在著類(lèi)似的紋理。2007年，Vielva參與的研究發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)紋理存在，它可能會(huì)通過(guò)ISW效應(yīng)產(chǎn)生出冷點(diǎn)。不過(guò)，宇宙紋理依然只是理論上的概念，沒(méi)有任何證據(jù)顯示它們真的存在。荷蘭格羅寧根大學(xué)的天文學(xué)家Rien van de Weijga

12、ert 說(shuō)：“紋理是一個(gè)很不錯(cuò)的想法，但我們還沒(méi)有線(xiàn)索來(lái)證明它們是否真的存在?！眝an de Weijgaert稱(chēng)，對(duì)大多數(shù)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，超級(jí)空洞依然是最好的解釋?！暗侥壳盀橹?，它還是被視為最可信的選項(xiàng)之一，”他說(shuō)，“對(duì)于它產(chǎn)生的效應(yīng)大小你可以有疑問(wèn)，但它并非完全不可信。”當(dāng)然，空洞假說(shuō)確實(shí)很有趣，但溫度的矛盾需要首先解決。更多的數(shù)據(jù)將會(huì)為天文學(xué)家提供幫助。例如，更多的觀(guān)測(cè)將使天文學(xué)家獲得更多有關(guān)空洞體積和性質(zhì)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。他們也可能在超級(jí)空洞前方發(fā)現(xiàn)一個(gè)更小的空洞，能進(jìn)一步使微波背景輻射降溫?；蛟S，冷點(diǎn)之所以如此寒冷，只是因?yàn)槌?jí)空洞剛好處于一個(gè)原本微波背景輻射溫度就較低的區(qū)域。即使目前還無(wú)法獲得更多的數(shù)據(jù)，我們也不必苦惱。英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)的天體物理學(xué)家Carlos Frenk說(shuō)：“在現(xiàn)在這個(gè)點(diǎn)上，由于不確定性過(guò)于巨大，我們不應(yīng)該為此犧牲太多睡眠?！彼闹庇X(jué)是，有了更多的數(shù)據(jù)和分析，超級(jí)空洞將最終成為正確的答案。如果真是如此，那冷點(diǎn)將成為代表一個(gè)物體超級(jí)空洞通過(guò)ISW效應(yīng)留在微波背景輻射上的印記。這一設(shè)想非常重要，部分是因?yàn)槌?jí)空洞本身就非常巨大。超級(jí)空洞的重要性可能還體現(xiàn)