宇宙学正处于一个转折点——我们可能即将发现新的物理学

Josiah02

过去几年，一系列争议震动了宇宙学这个成熟的领域。简而言之，标准宇宙模型的预测似乎与最近的一些观测结果不一致。
关于这些观察结果是否有偏差，或者是否需要重新考虑预测整个宇宙结构和演化的宇宙学模型，存在着激烈的争论。有人甚至声称宇宙学正处于危机之中。现在，我们不知道哪一方会获胜。但令人兴奋的是，我们即将找到答案。
公平地说，争议只是科学方法的正常过程。多年来，标准宇宙学模型也曾有过争议。该模型表明，宇宙由 68.3% 的“暗能量”（一种导致宇宙膨胀加速的未知物质）、26.8% 的暗物质（一种未知的物质形式）和 4.9% 的普通原子组成，这些原子是根据宇宙微波背景（大爆炸辐射的余辉）精确测量得出的。
它非常成功地解释了宇宙中大尺度和小尺度的大量数据。例如，它可以解释我们周围星系的分布以及宇宙最初几分钟内产生的氦和氘的数量。也许最重要的是，它还可以完美地解释宇宙微波背景。
这使得它获得了“一致模型”的美誉。但是，不一致测量的完美风暴——在宇宙学中被称为“张力”——现在正在质疑这个长期模型的有效性。
令人不安的紧张局势
标准模型对暗能量和暗物质的性质做出了特定的假设。但尽管经过了几十年的密切观察，我们似乎仍然无法弄清楚暗物质和暗能量是由什么构成的。
试金石就是所谓的哈勃张力。这与哈勃常数有关，哈勃常数是当前宇宙的膨胀率。在我们附近的本地宇宙中测量时，从附近星系中脉动恒星（称为造父变星）的距离，其值为 73 公里/秒/百万秒差距（Mpc 是星系际空间距离的测量单位）。然而，从理论上预测，该值为 67.4 公里/秒/Mpc。差异可能并不大（仅 8%），但在统计上却很显著。
哈勃张力大约十年前就已为人所知。当时，人们认为观测结果可能有偏差。例如，造父变星虽然非常明亮且易于观测，但它们与其他恒星挤在一起，这可能使它们看起来更亮。这可能使哈勃常数比模型预测高出几个百分点，从而人为地造成了张力。
随着詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的出现，它可以单独分离恒星，我们希望能够找到解决这一紧张局势的答案。
令人沮丧的是，这种情况还没有发生。天文学家现在除了造父变星外还使用另外两种类型的恒星（称为红巨星分支尖端恒星 (TRGB) 和 J 区渐近巨星分支 (JAGB) 恒星）。但是，虽然一组报告的 JAGB 和 TRGB 恒星值非常接近宇宙学模型的预期值，但另一组声称他们仍然看到观测结果不一致。与此同时，造父变星的测量结果继续显示出哈勃张力。
值得注意的是，尽管这些测量非常精确，但它们仍可能受到每种测量类型所特有的一些影响的影响。这将以不同的方式影响观测的准确性，对于每种类型的恒星来说都是如此。精确但不准确的测量就像试图与一个总是抓不住重点的人交谈。为了解决相互矛盾的数据之间的分歧，我们需要既精确又准确的测量。
好消息是，哈勃望远镜的争议正在迅速发展。也许我们明年左右就能找到答案。提高数据准确性（例如，通过纳入来自更远星系的恒星）将有助于解决这个问题。同样，对时空涟漪（即引力波）的测量也将能够帮助我们确定常数。
这一切或许都证明了标准模型的正确性。或者可能暗示其中缺少了一些东西。也许暗物质的性质或引力在特定尺度上的行为方式与我们现在所认为的不同。但在否定该模型之前，人们不得不惊叹其无与伦比的精确度。它最多只偏离目标几个百分点，同时推断了超过 130 亿年的进化史。
换个角度来说，即使是太阳系行星的钟表运动也只能在不到 10 亿年内可靠地计算出来，之后就变得不可预测了。标准宇宙学模型是一台非凡的机器。
哈勃张力并不是宇宙学的唯一麻烦。另一个被称为“S8张力”的张力也造成了麻烦，尽管规模不同。在这里，该模型存在平滑性问题，因为它预测宇宙中的物质应该比我们实际观察到的更聚集在一起——大约 10%。有各种方法可以测量物质的“团块性”，例如通过分析来自星系的光的扭曲，这是由假定的暗物质沿视线介入而产生的。
目前，业界似乎已经达成共识，在排除宇宙学模型之前，必须先解决观测中的不确定性。缓解这种紧张局势的一个可能方法是更好地了解星系中气态风的作用，气态风可以吹出部分物质，使其变得更平滑。
了解小尺度上的团块测量值与大尺度上的团块测量值之间的关系将大有裨益。观测结果也可能表明，我们需要改变暗物质的建模方式。例如，如果暗物质不是完全由冷的、缓慢移动的粒子组成（如标准模型所假设的那样），而是可能与一些热的、快速移动的粒子混合在一起。这可能会减缓宇宙晚期团块的增长，从而缓解 S8 张力。
JWST 还强调了标准模型面临的其他挑战。其中之一是早期星系的质量似乎比预期的要大得多。一些星系的重量可能与今天的银河系一样重，尽管它们形成于大爆炸后不到 10 亿年，这表明它们的质量应该较小。
然而，在这种情况下，对宇宙学模型的影响尚不清楚，因为这些令人惊讶的结果可能还有其他可能的解释。解决这个问题的关键是改进对星系中恒星质量的测量。我们不是直接测量它们，因为这是不可能做到的，而是从星系发出的光中推断出这些质量。
这一步涉及一些简化假设，这可能导致高估质量。最近也有人认为，这些星系中恒星发出的部分光是由强大的黑洞产生的。这意味着这些星系可能并没有那么大。
其他理论
那么，我们现在处于什么位置？虽然一些矛盾可能很快会通过更多更好的观测得到解释，但目前尚不清楚是否会解决所有困扰宇宙学模型的挑战。
然而，关于如何修复该模型的理论思想却一直不缺——也许太多了，有几百种，而且还在增加。对于任何想要探索所有问题的理论家来说，这都是一项令人困惑的任务。
可能性很多。也许我们需要改变对暗能量性质的假设。也许它是一个随时间变化的参数，最近的一些测量结果已经表明了这一点。或者也许我们需要在模型中添加更多的暗能量，以促进宇宙在早期或晚期的膨胀。修改引力在宇宙大尺度上的行为方式（与称为修正牛顿动力学或 MOND 的模型中所做的不同）也可能是一种选择。
然而，到目前为止，这些替代理论都无法解释标准模型所能解释的大量观测结果。更令人担忧的是，其中一些理论可能有助于缓解一种矛盾，但会加剧其他矛盾。
现在，各种挑战宇宙学最基本原则的思想都已敞开大门。例如，我们可能需要放弃宇宙在极大尺度上“均匀各向同性”的假设，这意味着宇宙在所有观察者眼中看起来都是相同的，宇宙中不存在特殊点。其他人则建议对广义相对论进行修改。
有些人甚至想象一个骗子宇宙，它参与我们的观察行为，或者根据我们看与不看而改变它的外观——我们知道这发生在原子和粒子的量子世界中。
随着时间的推移，这些想法中的许多可能会被归为理论家的奇思妙想。但与此同时，它们为测试“新物理学”提供了沃土。
这是件好事。毫无疑问，这些紧张局势的答案将来自更多的数据。在未来几年里，詹姆斯·韦伯太空望远镜、暗能量光谱仪 (DESI)、维拉·鲁宾天文台和欧几里得等众多实验的强大观测组合将帮助我们找到长期寻求的答案。
临界点
一方面，更精确的数据和对测量中系统性不确定性的更好理解可以让我们重拾标准模型的舒适感。摆脱过去的困境后，该模型不仅可能得到证实，而且可能得到加强，宇宙学将成为一门既精确又准确的科学。
但如果平衡向相反方向倾斜，我们将进入未知领域，必须发现新的物理学。这可能导致宇宙学发生重大范式转变，类似于 20 世纪 90 年代末发现宇宙加速膨胀。但在这条道路上，我们可能不得不一劳永逸地解决暗能量和暗物质的性质，这是宇宙中尚未解决的两大谜团。