暗能量相機(jī)拍攝了10 個選定的被稱為深場的天空區(qū)域。 每份多幅圖像都為天文學(xué)家提供了遙遠(yuǎn)星系以及它們?nèi)绾卧谡麄€宇宙中分布的一瞥。（圖片來源：暗能量巡天）

現(xiàn)今的最大星系調(diào)查表明，我們的宇宙并不如愛因斯坦的理論下的應(yīng)為狀態(tài)。這種不成塊的現(xiàn)象也許意味著與愛因斯坦的廣義相對論存在差異，而廣義相對論正是科學(xué)家們用來理解宇宙結(jié)構(gòu)是如何在130億年間進(jìn)化的理論。

“如果這種差異是真的，那么也許愛因斯坦是錯的，”暗能量巡天(DES) 的聯(lián)合負(fù)責(zé)人之一、巴黎高等師范學(xué)院的宇宙學(xué)家尼爾杰弗里在BBC 新聞這樣說。

DES 團(tuán)隊編制了一份包含數(shù)億個星系的目錄，并利用這些星系形狀的微小扭曲對宇宙的生命演化進(jìn)行測量。 幾乎所有的測量結(jié)果都支持了當(dāng)時流行的大爆炸這一宇宙學(xué)模型。這個模型認(rèn)為宇宙中的所有物質(zhì)都是從一個令人難以置信的熾熱且微小的點膨脹演變而來。

但其中一種測量方法——物質(zhì)的集中度——有一點不對勁。如果宇宙比設(shè)想的更平滑，那就意味著我們基于愛因斯坦廣義相對論的宇宙結(jié)構(gòu)演化的理解是錯誤的。

但其中一項測量——物質(zhì)的聚集——有點偏差。 如果宇宙比想象中的更平滑，那將意味著我們對宇宙結(jié)構(gòu)如何演化的理解（基于愛因斯坦的廣義相對論）是錯誤的。

雖然一些新聞頭條已經(jīng)宣稱愛因斯坦錯了，并且指出物理學(xué)家們需要修改他們的模型。但現(xiàn)實情況要微妙得多，這是因為要證實這個差異并不是一件輕而易舉的事情。

迄今為止最偉大的調(diào)查

來自7個國家 25 個機(jī)構(gòu)的 400 多名科學(xué)家效力于 DES，這是有史以來最大的天文學(xué)合作之一。 該團(tuán)隊使用智利托洛洛山美洲際天文臺的4米（13.1英尺）布蘭科望遠(yuǎn)鏡在過去的758個夜晚對八分之一的天空進(jìn)行了細(xì)致的觀測。

觀測項目始于2013 年，終于2019 年。相對而言觀測是容易的部分——結(jié)果的發(fā)布更難，DES 團(tuán)隊花了兩年的時間才發(fā)布了根據(jù)前三年的觀測數(shù)據(jù)總結(jié)的最新結(jié)果。

這個結(jié)果是讓人震驚的！

此次發(fā)表的29篇科學(xué)論文描述了對2.26億個星系的詳細(xì)觀測，使其成為了歷史上最大最詳細(xì)的星系調(diào)查。

這個龐大的星系目錄仍然只占可觀測宇宙所有星系的千分之一不到，但這只是一個開始。

這項新研究依賴于的擁有4米口徑的布蘭科望遠(yuǎn)鏡 上的570 兆像素暗能量相機(jī)，此處展示的是智利托洛洛山的美洲際天文臺 （圖片來源：Reidar Hahn，費米實驗室）

測量宇宙

DES利用其星系寶庫來研究我們宇宙的兩個主要特征，一種被稱為宇宙網(wǎng)。事實證明，星系在宇宙中并不是隨機(jī)分散的，相反，它們是按照自然界中發(fā)現(xiàn)的最大的模式組織起來的。在最大的尺度上，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了被稱為星系團(tuán)的巨大星系團(tuán)，長星系絲，寬闊的墻壁和巨大而空曠的宇宙空洞。

宇宙網(wǎng)是一個動態(tài)的物體，經(jīng)過數(shù)十億年的演化而成為現(xiàn)在的狀態(tài)。天體物理學(xué)家認(rèn)為，很久以前，宇宙中的物質(zhì)分布要均勻得多。通過研究宇宙網(wǎng)的演化，DES科學(xué)家可以了解宇宙是由什么組成的，以及它是如何運行的。這是因為宇宙的構(gòu)成決定了它的演變，就像改變你最喜歡的蛋糕配方會改變它的口味一樣。

DES還使用了一種叫做弱引力透鏡的東西。我們從愛因斯坦的廣義相對論中可知，物體的引力可以使光的路徑彎曲。最著名的例子來自于星系團(tuán)；它們令人難以置信的質(zhì)量可以極大地扭曲背景星系發(fā)出的光，以至于那些星系在觀測者看來被高度拉伸和拉長了。

DES采用了一種更微妙的透鏡效應(yīng)，它被用來尋找星系形狀的微小變化，因為這些星系的光已經(jīng)穿過數(shù)十億光年的空間。通過將這些星系的形狀與我們通過對附近宇宙的調(diào)查了解到的星系的形狀進(jìn)行比較，DES的天文學(xué)家可以繪制出宇宙中物質(zhì)的分布。

有東西掉了

DES 團(tuán)隊將他們的結(jié)果與其他主要調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行了比較，例如普朗克宇宙微波背景調(diào)查，是關(guān)于宇宙學(xué)中“大爆炸”遺留下來的熱輻射的調(diào)查。他們的觀測結(jié)果幾乎與現(xiàn)有的觀察結(jié)果和流行的宇宙學(xué)理論完全吻合：我們生活在一個大約有 137 億年歷史的膨脹宇宙中，其質(zhì)能大約由三分之一的物質(zhì)（其中大部分是暗物質(zhì)）組成， 其余的由暗能量組成。

但一個測量結(jié)果脫穎而出：一個被稱為 S8 的參數(shù)，它代表了宇宙中團(tuán)塊的數(shù)量。 S8 的值越高，物質(zhì)聚集越緊密。 新的 DES 結(jié)果支持 S8 的值為 0.776，而舊的普朗克結(jié)果顯示值略高，為 0.832。

普朗克的結(jié)果來自于早期宇宙的測量，而DES的結(jié)果來自于后期宇宙的測量。這兩個數(shù)字應(yīng)該是一致的，但如果它們真的不同，那么我們對巨大結(jié)構(gòu)如何在宇宙時間中的成長和進(jìn)化的理解——即我們通過愛因斯坦的廣義相對論對引力的理解——可能是錯誤的。因為沒有人期望發(fā)現(xiàn)這種差異，天體物理學(xué)家還沒有探索出相對論的哪些部分可能存在缺陷。

文章標(biāo)題將 DES 結(jié)果稱為我們現(xiàn)代宇宙學(xué)理論基礎(chǔ)的一個重大裂縫。 “我一生都在研究這個[結(jié)構(gòu)形成]理論，從感性上講，我不想看到它崩潰，”來自非DES成員的英國杜倫大學(xué)的宇宙學(xué)家卡洛斯·弗倫克 (Carlos Frenk) 在接受BBC采訪時說，“但從理性上來看，這個測量是正確的，我們必須看看物理學(xué)新的可能性?！?/p>

但是那些頭條和文章忽略了數(shù)據(jù)存在的不準(zhǔn)確性。每一種測量都帶有不確定性——科學(xué)家只能在現(xiàn)有可用的數(shù)據(jù)的前提下做到如此精確。當(dāng)統(tǒng)計學(xué)的不確定性被納入考慮時，DES項目得到的數(shù)據(jù)和普朗克巡天者衛(wèi)星觀測到的結(jié)果會互相影響。但這種影響是十分微小的，微小到不足以觸發(fā)警報——這也正是它所值得研究的地方。

用統(tǒng)計學(xué)術(shù)語來說，這兩個測量值之間相差只有2.3個標(biāo)準(zhǔn)差。這就意味著如果S8的數(shù)據(jù)沒有真正意義上的差異，并且重復(fù)觀察100次，它們將會給出98次相同(或更大)的差異。而這一結(jié)果則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)示著新發(fā)現(xiàn)所通常需要的5個標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

那么，讓我們期待接下來三年的數(shù)據(jù)將會帶來什么結(jié)果。

BY：Paul Sutter

FY：Astronomical volunteer team

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