美國今日宇宙網(wǎng)站2月7日刊登題為《天文學(xué)家繪制了宇宙中所有物質(zhì)的新地圖》的文章。內(nèi)容編譯如下：

宇宙中有很多物質(zhì)，但并不是所有的物質(zhì)都對(duì)我們可見。從本質(zhì)上說，物質(zhì)是任何具有質(zhì)量并占據(jù)空間的東西。這包括我們、行星、恒星、星云和星系，它還包括暗物質(zhì)。暗物質(zhì)分布在整個(gè)宇宙空間中。

物質(zhì)是均勻分布還是聚集成團(tuán)？或者它還有其他的布局方式？為了具體回答這些問題，天文學(xué)家繪制了物質(zhì)圖并將其與宇宙的理論模型進(jìn)行了比較。他們是怎么做到的？第一步是建造望遠(yuǎn)鏡，用它們進(jìn)行觀測并收集有關(guān)可觀測宇宙的大量數(shù)據(jù)。對(duì)物質(zhì)分布的測量需要專門的儀器來檢測來自遙遠(yuǎn)宇宙的微弱信號(hào)。

芝加哥大學(xué)和費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組使用了兩個(gè)不同的望遠(yuǎn)鏡和普朗克宇宙探測器的數(shù)據(jù)來制作最新的宇宙物質(zhì)圖。他們的觀察結(jié)果是這樣的：宇宙中的物質(zhì)并不像模型所預(yù)測的那樣呈塊狀。也就是說，它并不是完全均勻地分布，這意味著它在某些區(qū)域的聚集程度高于其他區(qū)域。雖然這聽起來不是很精確，但它在了解構(gòu)成我們宇宙的所有“物質(zhì)”的分布方面向前邁出了一大步。

漫長歷史

物質(zhì)分布的故事始于大約137億年前的大爆炸時(shí)刻。那一刻，所有的物質(zhì)都被創(chuàng)造出來了。自那時(shí)起，它就隨著宇宙的膨脹而擴(kuò)散開來。在這個(gè)過程中，物質(zhì)冷卻并聚集成塊。這種聚集意味著宇宙不一定是均勻分布的。我們可以從大量星系聚集成今天的星系團(tuán)和超星系團(tuán)中看出這一點(diǎn)。

天文學(xué)家也可以觀測到早期宇宙中的分布“聚集”，他們是通過觀察微波背景輻射的波動(dòng)觀測到的。那是來自大爆炸的非常微弱的光，被紅移到了光譜的微波部分。普朗克任務(wù)測量了整個(gè)微波背景的溫度變化，它并不是完全平穩(wěn)和均勻的。那束光是在宇宙“黑暗時(shí)代”（那時(shí)宇宙仍然太熱，充滿等離子體，無法讓光傳播）之后首次發(fā)出的。隨著物質(zhì)冷卻下來，當(dāng)光線終于可以通過時(shí)，那就是宇宙的“黎明”時(shí)刻。

隨著時(shí)間的流逝，宇宙繼續(xù)膨脹和冷卻，物質(zhì)開始聚集，隨著物質(zhì)引力的拉動(dòng)，波動(dòng)變得越來越密集，規(guī)模越來越大。最終，第一批恒星、星系和其他結(jié)構(gòu)誕生了。因此，物質(zhì)分布從宇宙的最早時(shí)刻到我們現(xiàn)在所見的豐富性的演變。

通過對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，科學(xué)家們可以推斷出宇宙中所有物質(zhì)現(xiàn)在的位置。還有更多好消息：研究結(jié)果與目前最廣為接受的宇宙理論完全吻合。但這并不是說科學(xué)家們眼下能夠完全理解為什么現(xiàn)在物質(zhì)會(huì)這樣分布。

事實(shí)上，還有一個(gè)小問題。夏威夷大學(xué)天體物理學(xué)家埃里克·巴克斯特說：“目前宇宙的波動(dòng)似乎比我們根據(jù)早期宇宙的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型所預(yù)測的要少一些?！彼傅哪切┎▌?dòng)是物質(zhì)分布的“團(tuán)塊”。如果你將支配宇宙的所有物理定律考慮在內(nèi)，并將它們從大爆炸的第一刻向前推論到現(xiàn)在，宇宙看起來應(yīng)該與我們現(xiàn)在實(shí)際看到的略有不同。

這聽起來不是什么大問題，但這可能意味著現(xiàn)有的宇宙模型中缺少一些天文學(xué)家需要找到的東西。盡管如此，這兩項(xiàng)測量還是在理解物質(zhì)分布方面向前邁出了一大步。它們不僅向天文學(xué)家展示了物質(zhì)現(xiàn)在的位置，而且還標(biāo)志著天文學(xué)家進(jìn)行此類研究的方式發(fā)生了變化。“我認(rèn)為這個(gè)嘗試顯示了進(jìn)行此類分析所面臨的挑戰(zhàn)和所帶來的好處，”研究共同主要作者、芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家張芷維說，“當(dāng)你將這些觀察宇宙的不同角度相結(jié)合時(shí)，你就可以做很多新的事情。”

如何繪制

另據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站2月2日?qǐng)?bào)道，科學(xué)家們繪制出了最精確的宇宙物質(zhì)地圖之一，它表明，我們最好的宇宙模型中可能缺少了某些東西。

這張新地圖是通過匯集兩臺(tái)觀察不同類型光的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，它顯示，宇宙不像以前的模型預(yù)測的那樣“多塊”——這可能說明，我們對(duì)連接星系的巨大宇宙網(wǎng)的了解不如科學(xué)家想象的那么多。

為了繪制出宇宙網(wǎng)是如何旋轉(zhuǎn)的，研究人員結(jié)合了智利的暗能量觀測站（該觀測站在2013年至2019年掃描了近紫外線、可見光和近紅外頻率的天空）以及南極望遠(yuǎn)鏡（該望遠(yuǎn)鏡位于南極洲，旨在研究構(gòu)成宇宙微波背景的微波輻射，也就是宇宙中最古老的光）的觀察結(jié)果。

盡管它們觀察的是不同波長的光，但這兩種望遠(yuǎn)鏡都使用一種稱為引力透鏡的技術(shù)來繪制物質(zhì)團(tuán)塊圖。當(dāng)一個(gè)巨大的物體位于我們的望遠(yuǎn)鏡和它的觀測源之間時(shí)，就會(huì)發(fā)生引力透鏡效應(yīng)；來自既定空間的光看起來越扭曲，該空間中的物質(zhì)就越多。這使得引力透鏡成為追蹤普通物質(zhì)及其神秘親戚暗物質(zhì)的絕佳工具，暗物質(zhì)盡管占了宇宙的85%，但它不會(huì)與光相互作用，除了在通過引力將其扭曲的情況下。

通過這種方法，研究人員使用兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)來查明物質(zhì)的位置，并通過將一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)與另一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來消除其中的錯(cuò)誤。

“它的功能就像一種交叉核對(duì)，因此相比只使用其中一個(gè)或另一個(gè)，這種測量方法更可靠?！毖芯抗餐饕髡?、芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家張芷維在聲明中說。

根據(jù)我們目前的理解，宇宙網(wǎng)是由氫氣和暗物質(zhì)鋪就的縱橫交錯(cuò)的天體高速公路構(gòu)成的巨大網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在大爆炸后的混亂中成形，網(wǎng)絡(luò)的卷須狀物在年輕宇宙的洶涌混沌形成為團(tuán)塊；在網(wǎng)絡(luò)的多股交叉處，最終形成了星系。

修正模型

這張宇宙物質(zhì)新地圖1月31日以一組三篇論文的形式發(fā)表在《物理評(píng)論D》雜志上，新地圖顯示，在宇宙的許多區(qū)域，物質(zhì)較少聚集在一起，而是比理論預(yù)測的更均勻地散布開來。

研究人員制作的宇宙物質(zhì)圖非常符合我們對(duì)宇宙演化方式的理解，除了一個(gè)關(guān)鍵的差異：它比宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型所提示的分布更均勻，聚集更少。

根據(jù)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，宇宙在大爆炸之后開始形成，當(dāng)時(shí)年輕的宇宙充滿了物質(zhì)和反物質(zhì)的粒子，它們突然出現(xiàn)，卻又在接觸時(shí)相互湮滅。宇宙的大部分構(gòu)造塊都以這種方式自行消失了，但時(shí)空結(jié)構(gòu)的快速膨脹以及一些量子漲落意味著，一些原始等離子體群在各處幸存下來。

重力很快使這些等離子體群開始?jí)嚎s自身，當(dāng)物質(zhì)被擠壓得更近時(shí)，它們會(huì)被加熱到這樣一種程度，即聲波會(huì)以光速一半的速度從等離子體團(tuán)塊中向外擴(kuò)散。這些漣漪將尚未被吸引到團(tuán)塊中心的物質(zhì)推開，最后以環(huán)繞中心的光環(huán)形式靜止下來。那時(shí)，宇宙中的大部分物質(zhì)都分布在無數(shù)宇宙空洞周圍的一系列薄膜中，就像水槽里的一團(tuán)肥皂泡。

一旦這種物質(zhì)（主要是氫和氦）充分冷卻，它就會(huì)進(jìn)一步凝結(jié)，從而誕生第一批恒星，而這些恒星又通過核聚變形成越來越重的元素。 

研究作者之一、夏威夷大學(xué)天體物理學(xué)家埃里克·巴克斯特在一份聲明中說：“看起來，相比我們根據(jù)早期宇宙的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型所做的預(yù)測，現(xiàn)在的宇宙少了一些波動(dòng)。”

有兩種可能性可以解釋這種差異。第一種是，我們只是對(duì)宇宙的觀察太不精確了，隨著我們獲得更好的觀察宇宙的工具，與模型的明顯偏差將會(huì)消失。第二種也是更重要的可能性是，我們的宇宙學(xué)模型缺少了一些重要的物理學(xué)現(xiàn)象。

要找出哪一種是正確的，我們將需要更多的交叉調(diào)查和繪圖，以及對(duì)束縛宇宙肥皂泡的宇宙學(xué)約束的更深入理解。

“對(duì)于這種差異還沒有已知的物理解釋，”研究人員在其中一篇研究論文中寫道，“調(diào)查之間的交互相關(guān)……將推動(dòng)更有力的交互相關(guān)研究，這些研究將給出最精確和準(zhǔn)確的宇宙學(xué)約束解釋，這將使我們能夠繼續(xù)對(duì)（標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)）模型進(jìn)行壓力測試?！?/p>