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宇宙是什么形狀的?用何種方法測算出宇宙的形狀?

具有巨大盤面的扁球體,就像個超級大號的鐵餅——這是我們賴以生存的銀河系的肖像。那么,宇宙是什么形狀的呢?

無數科學家都曾對其有過諸多猜想,這個疑問也始終沒有確切的答案。經過多年的觀測和推演,這些猜想逐漸收斂到一個主流的觀點上——宇宙是無邊無際的平坦三維空間。

近日,英國曼徹斯特大學研究人員埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾等人通過對普朗克衛星的觀測數據分析指出,宇宙可能不是像床單一樣平坦,而是一個封閉的三維球面,就像個巨大的氣球一樣彎曲。該研究日前發表在《自然·天文學》雜志上。

兩種思路探索宇宙形狀之謎

以牛頓引力為基礎的牛頓宇宙觀認為,宇宙是無限無邊的三維歐氏幾何空間,即宇宙分布在我們常說的立體幾何空間里,這一空間是無限的,其中均勻地分布著無限多的天體。然而,這一假設與引力理論并非完全契合,而是存在某些矛盾。

“后來,當人們認識到彎曲空間的概念以后,便有了宇宙是三維球面的可能性。”中國科學院國家天文臺研究員陳學雷在接受科技日報記者采訪時表示,愛因斯坦構造了一個有限無邊的宇宙靜態模型,他認為宇宙可能是一個有限封閉的三維球面。

根據廣義相對論,物質的存在使得時空彎曲。在巨大質量的天體附近,光線不“走”直線,而是“走”曲線。后來,隨著對宇宙的認知進一步加深,人們發現,實際上宇宙的真實形狀存在著多種可能性。

“最常見的有3種可能,即平直的三維歐氏幾何空間、彎曲的封閉三維球面和彎曲的三維雙曲面。”陳學雷表示,即宇宙曲率分別為零、正和負時,宇宙所呈現的三種不同形態。

這三種可能的宇宙形狀中,只有封閉三維球面是有限的空間。三維雙曲面就像馬鞍的形狀一樣,馬鞍的雙側下沿無限延伸。而平坦的三維歐氏空間就更無邊無際了。

那么,這三種可能性究竟哪種才是宇宙的真實形狀呢?我們又是用何種方法測算出宇宙的形狀呢?

“主要有兩種思路,其一是用幾何的方法測量,其二是用密度的方法去界定。”陳學雷介紹。

眾所周知,在平直空間的歐氏幾何中,任何三角形的內角之和都是180°。但是如果在球面上或曲率為正的曲面上,內角加起來將超過180°。而在雙曲面或曲率為負的曲面上,三角形內角加起來將小于180°。幾何測量方法的原理是,以觀測者作為一個頂點,再在空間選取2個點,構成一個三角形。如果我們能測出三條邊的邊長,在歐氏幾何中就可以確定這一具有唯一性的三角形,其頂角的大小就可以計算出來。另一方面,我們也可以通過直接觀測得到我們所在的頂角的大小,與計算值相比,就可以確定是否一致,還是更大或更小。

如果這個頂角的觀測值和計算值(真實值)相等,表明宇宙是平直的三維歐氏空間;如果觀測值大于計算值,則表明光線在一個正曲率面上穿行,即宇宙為球面;如果觀測值小于計算值,則表明宇宙是負曲率的雙曲面。

另外一種思路取決于膨脹宇宙的總體密度和臨界密度的關系。臨界密度取決于膨脹速度,某一時刻的膨脹速度越高,臨界密度也越高。

根據廣義相對論,當宇宙的總體密度(即平均密度)等于臨界密度時,宇宙形狀為無限、平坦的三維歐氏空間;當總體密度大于臨界密度時,宇宙的幾何性質表現為球面幾何;如果宇宙空間中物質總量太少,使得其密度小于臨界密度的話,宇宙表現為雙曲幾何。

微波背景輻射掀起宇宙神秘面紗

然而,如果沿著幾何測量思路,在宇宙尺度上,我們不可能飛到足夠遠的距離去實地探測,因為如果僅僅是在銀河系內甚至銀河系周邊測量,得到的也只是局部的曲率,并非整個宇宙的真實曲率。就像是地球上有高山、盆地,高低不平,但地球總體上還是個球體。

如果沿著宇宙密度的思路去研究,實際操作起來也很困難。原因在于,雖然我們已經測算出了與哈勃常數相關的臨界密度值,但宇宙的總體密度卻很難測準。星系間存在廣袤的空間,星系內和星系之間的空間密度便大不一樣。更何況,宇宙中還存在著尚未觀測到的、所謂的暗物質,其數量可能遠超過目前的可見物質,這給總體密度的測定帶來了很大的不確定因素。

宇宙微波背景輻射則為推算宇宙平均密度提供了很大助力。20世紀90年代末的毫米波段氣球觀天計劃中,人們通過對宇宙微波背景輻射的相關數據收集,測量出宇宙總體密度與臨界密度的比值接近于1。“實驗是存在誤差的,因此基于這一結果,人們認為宇宙沒有明顯的正曲率或負曲率,幾乎是平坦光滑的空間結構。”陳學雷表示,這也與宇宙暴脹理論所預測的平坦宇宙不謀而合。

2018年,歐洲航天局(ESA)普朗克巡天計劃公布了更為精確的觀測數據。“盡可能地剔除了相關實驗誤差之后,歐洲航天局的數據顯示,宇宙曲率可能傾向于正,即宇宙形狀為封閉球面,雖然這一‘傾向’并不十分明顯。”陳學雷說。

此次研究中,瓦倫蒂諾等人通過普朗克衛星觀測得到宇宙微波背景輻射“引力透鏡化”程度的數據基礎,又分析了大量數據,采用不同的模型對這些數據進行擬合,相關計算得出宇宙是封閉球面的概率約為99%。

結果更可靠但爭論遠未塵埃落定

這項研究結果可靠嗎?宇宙形狀的爭論是否也就此塵埃落定?

“此次研究中所采用的統計學研究并非無懈可擊,還存在一定的誤差。但如果事實確實如此,那必然會推翻很多傳統的認知。”陳學雷告訴科技日報記者,研究人員可能會低估統計誤差,所以真實的概率或許沒有99%這么高。

“值得注意的是,所有的參數推演都是基于一定的模型,例如通過時間和速度,可以計算出路程。路程、時間、速度這三者之間的關系就是一個簡單的模型。而這項研究中,我們并不確定其用到的模型本身是否包含了所有的物理學效應,這是值得進一步研究的。”陳學雷指出,比如未考慮到某些效應,或存在一些未知效應,就會影響我們對宇宙真實形狀的判斷。

研究人員也表示:“我不想說我相信一個封閉的宇宙。”他認為,這一結果只是表明與以往的研究有差異,至于為何會存在這一差異,應謹慎地探索其中原因。

以往也曾有研究指出,宇宙的形狀并非平坦的三維歐氏空間。為何此次研究,學界較為關注?

“以往的研究通常會根據宇宙微波背景輻射的熱斑判斷宇宙形狀。”陳學雷告訴記者,宇宙微波背景輻射的溫度是不均勻的。宇宙早期存在聲波振蕩,第一次振蕩產生的熱斑最大。以往的研究相當于只是在這個最大熱斑的基礎上畫了一個三角形,測量宇宙曲率。事實上,如果改變其中某些參數,即便不同的模型也可能會擬合出同樣的曲線,因此準確度相對較低,可信度也較低。

“而此次研究相當于不僅采用了最大熱斑的三角形,還同時分析了其他振蕩所產生熱斑的三角形,宇宙是封閉球面的結果相對更加可信。”陳學雷談道,“文章中還提到了對除宇宙微波背景輻射之外的觀測,如超新星等,擬合效果并不理想,這表明還有一些東西我們未考慮到,需要進一步的探索。”

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