如果你的生活有時似乎漫無目的，你或許可以理所當然地歸咎於宇宙。
根據現代物理學的關鍵原則，宇宙在數十億光年的尺度上是“各向同性的”——這意味著它在每個方向上都應該具有相同的外觀和行為。自從大約140億年前的大爆炸以來，宇宙應該在所有地方都以相同的方式膨脹。這種預期與天文學家觀察到的大爆炸全天空餘輝的平滑均勻性相符：宇宙微波背景（CMB）。然而，現在，一項針對天空各處星系團距離的X射線巡天表明，一些星系團的距離比各向同性預測的要近或遠得多。這一發現可能表明宇宙實際上是“各向異性的”——在某些區域的膨脹速度比其他區域更快。對於任何尋求宇宙藉口來解釋個人不幸的人，我們深感抱歉，也許宇宙並非完全漫無目的。
這種可能的各向異性證據來自一個由德國波恩大學的天文學家康斯坦丁諾斯·米加斯領導的國際團隊。它依賴於美國宇航局的錢德拉X射線天文臺、歐洲航天局的XMM-牛頓衛星和日本宇宙學和天體物理學高階衛星對近850個星系團的新資料或存檔資料。
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這項研究發表在四月份的《天文學與天體物理學》雜誌上，它將每個星系團都視為一座燈塔——透過衡量每個星系團的亮度或暗度來估算它們的距離。透過測量給定星系團中稀薄熱氣體發出的X射線的種類和數量，該團隊可以確定該氣體的溫度。這樣做使研究人員能夠估計星系團的X射線光度——從而得出其距離。接下來，他們透過一種獨立的技術計算了每個星系團的光度，這種技術部分依賴於先前確定的宇宙膨脹率。透過比較這兩個獨立的星系團光度值，米加斯和他的同事能夠探測整個天空宇宙膨脹率的潛在偏差，揭示了兩個區域，這些區域的星系團比預期亮或暗約30%（因此可能更近或更遠）。
米加斯說：“我們成功地確定了一個似乎比宇宙其餘部分膨脹得慢的區域和一個似乎膨脹得更快的區域。” “有許多使用光學超新星和紅外星系的研究也檢測到與相同方向相似的各向異性。而且也有許多使用類似資料集的研究沒有顯示任何各向異性！因此，情況仍然不明朗。我們不主張知道各向異性的起源，只知道它們確實存在。”
全天空地圖顯示了可能不對稱的宇宙膨脹，基於數百個星系團的X射線巡天。橙黃色色調錶示快於預期的膨脹率。紫黑色表示慢於預期的膨脹率。圖片來源：K. Migkas et al. 2020 (CC BY-SA 3.0 IGO)
令人震驚、令人沮喪的各向異性
各向異性的宇宙將動搖物理學的支柱，要求對當前關於宇宙演化的思維進行重大修正。“如果[宇宙的增長]在不同方向上確實不同，那將給宇宙學關於足夠大的空間區域內膨脹均勻性的假設帶來全新的問題，”密歇根州立大學的天體物理學家梅根·多納休說，她沒有參與這項研究。她補充說，不對稱的膨脹“將是令人震驚和沮喪的”，因為它將表明我們對宇宙大尺度結構和演化的理解是深刻的——也許是永久性的——不完整。
為了解釋這種現象——並使其與CMB中看到的近乎完美的各向同性相協調——宇宙學家可能會轉向暗能量，這種神秘的力量正在驅動宇宙加速膨脹。也許，在CMB描繪的“早期”宇宙和過去幾十億年的“晚期”宇宙之間的漫長歲月中，暗能量的影響在宇宙的某些特定部分變得更強，從而造成了不對稱的膨脹。
研究合著者、波恩大學的托馬斯·萊普里希在最近的宣告中說：“如果發現暗能量在宇宙的不同部分具有不同的強度，那將是了不起的。” “然而，還需要更多證據來排除其他解釋並做出令人信服的論證。”
或者，宇宙可能根本不是不對稱的：異常的星系團可能被捲入“整體流動”中，被更大、更遙遠的星系團的引力所拉扯而偏離原位，有點像在湍急的河流中隨波逐流的船隻。但是大多數宇宙學家並沒有預料到整體流動會發生在研究探測到的極其大的尺度上，該研究的測量範圍約為50億光年。
米加斯說：“很可能是一種整體流動。” “然而，這也將非常重要，僅僅是因為大多數研究都沒有考慮到這一點！如果人們沒有對這些運動進行適當的校正，任何現有的整體流動都可能嚴重影響我們的結果和測量。”
宇宙盲點
當然，最明顯的解釋是，星系團間距的明顯不對稱性是由於資料或分析中的缺陷造成的。然而，這種情況仍然可能需要更新科學家對誤差如何滲入他們對宇宙距離的最佳估算的理解。
約翰·霍普金斯大學的天文學家亞當·里斯說：“使用星系團作為宇宙學探測器的研究已經給出了一些令人困惑的結果有一段時間了，”他沒有參與米加斯團隊的研究，他引用了其他研究人員的最新分析，這些分析突出了基於星系團的工作與其他測量技術之間的不一致性。這些不一致性表明，星系團的X射線溫度與其光度之間的相關性不如研究人員希望的那樣清晰。此外，里斯說，在銀河系中還有其他潛在的問題需要處理：即我們星系的充滿氣體和塵埃的圓盤，它以各種令人煩惱的方式遮蔽了天文學家對更廣闊宇宙的視野。他說，米加斯和他的同事們確定的最大明顯宇宙各向異性區域與銀河系吸收X射線的氣體和塵埃最厚的區域相鄰，這可能並非巧合。“他們聲稱宇宙的怪異方向就在我們的盲點中，”里斯補充道。“這似乎很可疑！”
普林斯頓大學和紐約市熨斗研究所的宇宙學家大衛·斯珀格爾也懷疑基於星系團的測量存在缺陷——部分原因是如此多的其他技術提供了根本衝突的結果。他說：“如果[它是]真的，這是一篇非常重要的論文，但不太可能是真的。” “我們有許多更準確的各向異性測試，基於對[CMB]和大規模結構的觀測。這些觀測更簡單、更清晰，並且已經在多種不同的方式中得到重現。” 他說，新研究提出的規模的各向異性將導致CMB中的波動比天文學家觀察到的亮1000倍。
即便如此，米加斯和他的同事們認為，要果斷地排除或支援不對稱的宇宙，需要對大規模宇宙結構進行額外的、更全面的探測。他們現在正在CMB地圖中尋找星系團各向異性的進一步線索，並尋求透過互補的紅外觀測來驗證他們基於X射線的星系團研究。最終的結論性結果可能來自新的太空望遠鏡——例如德國-俄羅斯的eROSITA X射線天文臺或歐洲航天局即將到來的歐幾里得任務——這些望遠鏡將對整個天空的星系團進行更深入、更廣泛的巡天。
米加斯說：“總的來說，我們認為應該有越來越多的人關注宇宙的各向同性——尋找新的方法和工具來做到這一點——考慮到這對標準宇宙學具有巨大的意義。” “如果我們能夠一勞永逸地知道晚期宇宙看起來是否是各向同性的，那就太好了。”