一个新的异常正在影响整个宇宙吗？
2022-10-25 12:24阅读：
一个新的异常正在影响整个宇宙吗？
早期的遗迹和晚期的天体给不断膨胀的宇宙不相容的结果。这个独立的异常加剧这个问题。
STARTS
WITH A BANG — OCTOBER 24, 2022
Ethan
Siegel
在左下角，显示了温度波动的实际信号。在其他三个面板中，由于旋转或其他形式的各向异性对微波天空的可能的修改被显示。通过约束这些信号的幅度，我们能证明这个宇宙实际上刚好是多各向同性的（各方向都是相同的）和不旋转的。然而，除了宇宙微波背景辐射之外的其他指标并没有给出与我们在这里观察到的一致的结果。(Credit: D. Saadeh et al., Phys. Rev. Lett.,
2016)
关键要点
在所有宇宙学中最令人困惑的、无法解
释的异常是哈勃张力：测量到的膨胀率中的差异取决于使用哪种方法。
然而，一个第二种不太广为人知的异常也正在极度的困惑：在我们的观察到的穿过宇宙的运动中的一个差异以及不同的东西在不同的方向多不同的。
我们有许多不同的方法来估计这个宇宙在不同方向上多不同的，而它们彼此并不都是一致的。这是一个真的、未解决的、但很重要的问题！
对不起天文学家：这个膨胀的宇宙加不起来
这张图中所示的星系都位于本地星系群之外，因此它们都引力上与我们没有束缚的。结果，随宇宙膨胀，来自它们的光被向更长、更红的波长移动，这些天体最终以比光从它们旅行到我们眼睛要用的更多的光年年数离开更远。随膨胀无情的持续，它们将最终越来越远。(Credit: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement:
OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute)
最大的异常是哈勃张力。
![expansion of the Universe]( "一个新的异常正在影响整个宇宙吗？")
测量巨大宇宙距离的两种最成功的方法是基于要么它们的表观亮度（左）要么它们的表观角大小（右），这两种方法都是直接的可观测到的。如果我们能理解这些天体的内在物理属特，我们能用它们作为标准蜡烛（左）或标准标尺（右）来确定这个宇宙在它的宇宙历史上已经膨胀了多少以及它是由什么构成的。在不断膨胀的宇宙中，一个天体出现多明亮或多大的几何在这个膨胀的宇宙中是不琐碎的。(Credit: NASA/JPL-Caltech)
两种膨胀速率测量方法产生不相容的值。
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在宇宙微波背景辐射中的冷点（蓝色）不是内在的更冷，而是代表由于物质的一个更大密度有一个更大的引力拉力的区域，而热点（红色）只是更热，因为该区域中的辐射生活在一个更浅的引力井中。随着时间，过密区域将更有可能生长成恒星、星系和星系团，而过疏区域将不太可能这样做。在宇宙微波背景辐射中和宇宙的大尺度结构中的这个不完美的证据为重建膨胀率提供一种方法。(Credit: E.M. Huff, SDSS-III/South Pole
Telescope, Zosia Rostomian)
早期遗迹方法，经由宇宙的不完美产生67km/s/Mpc。
尽管我们的宇宙有许多所有的数据集都是一致的方面，但宇宙正在膨胀的速度不是其中之一。仅基于超新星的数据，我们能推断一个约为73公里/秒/秒差距的膨胀率，但超新星并没有探测到我们宇宙历史上第一个约30亿年。如果我们包括来自宇宙微波背景辐射的数据，它本身非常接近大爆炸被发射，在时间中的此刻有不可调和的差异，但仅在10%水平上！(Credit: D. Brout et al./Pantheon+, ApJ
submitted, 2022)
距离阶梯法，从单独测量的天体产生73km/s/Mpc。
回到时间中和距离（在“今天”的左边）中测量能告知这个宇宙将怎样演变和加速/减速进入远的未来。通过将膨胀率与宇宙的物质和能量含量联系起来并测量膨胀率，我们能得出一个宇宙中哈勃时间的值，但这个值不是一个常数；它随这个宇宙膨胀和时间流动向前演化。(Credit: Saul Perlmutter/UC
Berkeley)
但另一种宇宙不完美异常正同样的困惑人。
使用宇宙距离阶梯意味着将不同的宇宙尺度缝合在一起，在那里人们总担心不同的阶梯“阶梯”连接的不确定性。如图所示，我们现在下到在那个梯子上少的三个“梯级”上，而完整的测量集与彼此壮观的一致。(Credit: A.G. Riess et al., ApJ,
2022)
考虑宇宙微波背景辐射（CMB）：来自宇宙大爆炸的剩余辐射。
按照彭齐亚斯和威尔逊最初的观测，银河系平面发射了一些天体物理辐射源（中心），但在上面和下面，所有剩下的只是一个近乎完美的、均匀的辐射背景。这种辐射的温度和光谱现在已经被测量，这与大爆炸的预测是超常一致的。如果我们能用我们的眼睛看到微波光，整个夜空会看起来像图中所显示的绿色椭圆形一样。(Credit: NASA/WMAP Science
Team)
虽然大部分是均匀的，一个方向是约3.3毫开尔文更热，而相反的方向同样的更冷。
虽然宇宙微波背景在所有方向上都是同一粗糙的温度，但在一个特定的方向中有1/800的偏差：这与这是我们穿过宇宙的运动是一致的。在800分1的宇宙微波背景辐射振幅本身的整体大小上，这对应于一个800分1的光速的运动，或者从太阳的角度是约368
km/s。(Credit: J. Delabrouille et al., A&A,
2013)
这个“微波背景辐射偶极子”反映我们的太阳的相对于微波背景辐射的运动：约370
km/s。
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一个行星怎样环绕太阳的精确模型，其然后以不同的运动方向穿过星系。每颗行星与太阳的距离决定它所接收到的总辐射和能量，但这并不是在决定一颗行星的温度中起作用的唯一因素。此外，太阳穿过银河系银河系穿过本系群，后者穿过更大的宇宙。(Credit: Rhys Taylor)
我们的本地群远更快移动：大约620 km/s
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这张我们的局部超星系团、室女座超星系团，跨度超过1亿光年并包含我们的局部星系团，它有银河系、仙女座、三角座和大约60个更小的星系。过密区域引力上吸引我们，而低于平均密度的区域相对于平均宇宙引力有效的排斥我们。(Credit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia
Commons)
这应该是由于宇宙的、引力的不完美拖在我们上。
因为物质被大致均匀分布在整个宇宙中，引力上影响我们的运动的不光是过密区域，还有过疏的区域。一个被称为偶极子排斥器的特征，在这里描画的是最近才被发现的并可以解释我们的局部群的相对于宇宙中其他天体的特殊运动。(Credit: Y. Hoffman et al., Nature Astronomy,
2017)
附近星系运动一致的支持这幅图。
附近星系和星系团的运动（如沿它们的速度流的“线”所示）被用附近的质量场映射出来。最大的过密（红色/黄色）和过疏（黑色/蓝色）从早期宇宙中非常小的引力差异出来。在最大过密区域附近，单个星系能以每秒数千公里的特殊速度移动，但总的来说我们所看到的与我们观察到的局部运动穿过宇宙是一致的。(Credit: H.M. Courtois et al., Astronomical
Journal, 2013)
然而，更遥远的运动追踪器与之冲突。
在比我们的局部超星系团更大的尺度上，或超过几亿光年，我们不再看到与我们在宇宙中预期的测量运动对应的不同方向中的差异。相反，观察到的效果是不一致的，无论是与局部宇宙的测量结果还是在许多情况下与彼此都不一致。(Credit: Andrew Z. Colvin and
Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons)
团簇内的等离子体表示更小的整体运动：低于约260
km/s。
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普朗克卫星的在小角度尺度上宇宙微波背景辐射温度的测量能揭示由天体运动引诱的数十微开尔文温度的增强或抑制：孙耶夫-泽尔多维奇效应。从星系团，他们看到一个与0一致的效应，这比从我们推断穿过宇宙的运动实在的更弱。(Credit: Websky Simulations)
然而，最亮的星系团星系揭示更大的运动：约689
km/s。
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这个巨大的星系团Abell
2029在它的核住着IC
1101星系。它跨度550-600万光年，超过100万亿颗恒星，质量接近1万亿个太阳，它被许多度量都是已知最大的星系。一个对所有阿贝尔星系团中最亮的星系的勘察揭示一种与宇宙微波背景偶极子不一致的宇宙运动。(Credit: Digitized Sky Survey 2;
NASA)
x射线发射揭示巨大的辐射（在错误的方向上！）约900
km/s
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在
x射线星系团计数中的各向异性在幅度和也在方向中都比从我们穿过宇宙的预期的远更大：这是另一个令人惊讶但重要的宇宙张力的例子。(Credit: K. Migkas et al., A&A,
2021)
计数的星系中的各向异性揭示比预期效果两倍多的。
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星系的全天空映射揭示在相同的亮度/距离阈值上在一个方向上比在另一个方向上有更多的星系被发现。这种所谓的火箭效应从宇宙微波背景辐射中看到的偶极子有一个预测的幅度，但观测到的是比预测的效应两倍多。(Credit: T. Jarrett
(IPAC/Caltech))
射电星系计数甚至是更糟糕：是预期幅度的四倍。
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当整个天空被以不同的波长观测时，与我们星系之外遥远天体相对应的某些源被揭示。在无线电波长中，星系能被在各个方向上看到，但在另一组方向上的一组方向中的细微差异似乎比从我们的穿过宇宙的运动预期的重要的更大的。(Credit: ESA, HFI and LFI consortia; CO map from
T. Dame et al., 2001)
来自宽视场红外探测探测器的类星体计数拥有同样的问题。
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以它的所有全天空红外勘察，美国宇航局的宽视场红外探测探测器或称WISE已经识别了数百万个候选类星体，用黄色圆圈识别了整个天空（这里显示在一个小区域）。类星体的聚类显示按照在一个方向有更高的类星体计数（相反的计数）比被我们观察到的导致我们来预期的运动的一个异常大信号。(Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA)
更大尺度的、即将到来的勘察可能会有力地证实这第二个“哈勃张力”。
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欧洲航天局的欧几里得使命计划于2023年发射，将是这十年的三大努力之一，与美国国家科学基金会的维拉·鲁宾天文台和美国宇航局的南希·罗曼使命一起来映射大尺度宇宙到超常的宽度和准确性。(Credit: European Space Agency)
大多寂静的星期一以图像、视觉和不超过200个单词讲述一个天文故事。少说话多微笑。
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