宇宙從各個方向看，都一樣嗎？

仰望夜空就會發(fā)現(xiàn)，宇宙顯然不是在所有尺度上都是一致的。在較小尺度上，物質(zhì)分布并不均勻：有些地方聚集著恒星，有些地方則幾乎是空的；而從不同方向望去，我們看到的結(jié)構(gòu)也并不完全相同。

盡管如此，宇宙學(xué)家仍然假定，在足夠大的尺度上，宇宙會呈現(xiàn)出統(tǒng)計均勻（各處相同）且各向同性（各個方向都相同）的樣子。這便是宇宙學(xué)原理，它支撐著標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，也就是所謂的含宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（ΛCDM模型）。

因此，如果要判斷宇宙在大尺度上是否真的均勻、各向同性，就必須研究星系在三維空間中的分布。

現(xiàn)在，一項新發(fā)表于《自然》的研究表明，星系分布中仍存在持續(xù)的各向異性結(jié)構(gòu)，其延伸尺度達(dá)到約一個吉秒差距（約等于32.6億光年）的量級。如果這一大膽主張成立，它將動搖宇宙學(xué)原理。

1吉秒差距的纖維狀結(jié)構(gòu)

自20世紀(jì)80年代以來，科學(xué)家一直在爭論：宇宙究竟在多大尺度上會過渡到均勻狀態(tài)？過去，一些關(guān)于星系分布的研究表明，宇宙大約在100兆秒差距，也就是約3億光年的尺度上，會變得均勻。

在新的研究中，研究人員將一種新的統(tǒng)計工具應(yīng)用于迄今最大的星系圖。這幅宇宙圖由暗能量光譜儀（DESI）繪制而成。DESI利用位于亞利桑那州的一臺4米望遠(yuǎn)鏡，測繪了4700萬個星系的三維位置。

此前的研究通常會問這樣一個問題：如果在某一點有一個星系，那么不考慮方向，在某個特定距離處找到另一個星系的可能性有多大？也就是說，傳統(tǒng)方法通常測量的是星系聚集如何隨距離變化。

而在這項新研究中，研究人員關(guān)注的不只是距離，還包括方向。他們想知道：相隔一定距離的星系對，是否會在空間中呈現(xiàn)出某種共同的取向。

為此，研究人員把DESI的星系圖切分成一系列二維切片，檢查了相隔特定距離的星系對，并尋找這些星系對取向上的模式。在一個均勻且各向同性的宇宙中，這些方向本應(yīng)隨機且均勻地分布。但研究人員發(fā)現(xiàn)，這些方向之間存在顯著相關(guān)性。

這表明，與ΛCDM模型的模擬預(yù)測相比，星系分布在遠(yuǎn)大得多的距離上，仍然保持著“纖維狀”結(jié)構(gòu)。具體而言，新研究表明，宇宙的纖維狀特征可能會一直延續(xù)到1吉秒差距尺度。

動搖ΛCDM模型？

為什么這一發(fā)現(xiàn)，有可能動搖標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)？關(guān)鍵在于，ΛCDM模型本身就建立在宇宙學(xué)原理之上。

ΛCDM模型給出了宇宙的組成配方——約5%的普通物質(zhì)，約27%的不可見暗物質(zhì)，以及約68%的暗能量。它把龐大的星系宇宙網(wǎng)的演化，追溯到大爆炸后最初出現(xiàn)的亞原子粒子熱湯中微小的密度漲落。

在極短的一瞬間，一段被稱為暴脹的指數(shù)式急劇膨脹，把這些漲落拉伸到宇宙尺度，同時讓時空變得更加平滑、平坦。隨著宇宙膨脹減慢，引力進(jìn)一步放大這些漲落，使暗物質(zhì)聚集成團(tuán)；這些暗物質(zhì)團(tuán)塊隨后吸引普通物質(zhì)，最終孕育出恒星和星系。

所有這些都必須與愛因斯坦（Albert Einstein）的引力理論——廣義相對論——相協(xié)調(diào)。而這正是宇宙學(xué)原理發(fā)揮作用的地方。根據(jù)廣義相對論，宇宙演化本應(yīng)由一組復(fù)雜、相互耦合的方程來支配。假定宇宙在足夠大的尺度上是均勻且各向同性的，就可以大幅簡化這些方程。

換言之，正是因為引入宇宙學(xué)原理之后，ΛCDM模型在數(shù)學(xué)上才變得足夠簡潔，可以實際求解和使用。

然而，這種簡化也隱含了一個前提：在足夠大的尺度上，局部的不均勻結(jié)構(gòu)會被平均掉，底層時空可以被近似看作平滑、平直的背景，宇宙整體也應(yīng)當(dāng)不再呈現(xiàn)顯著結(jié)構(gòu)或特殊方向。

而新的研究結(jié)果卻顯示，星系分布中的各向異性結(jié)構(gòu)有可能持續(xù)到數(shù)十億光年的尺度。

挑戰(zhàn)還是誤差？

在一些學(xué)者看來，這樣的結(jié)果并不意外。因為他們認(rèn)為，ΛCDM模型可能存在一個被低估的問題：它沒有充分考慮暗物質(zhì)和星系構(gòu)成的宇宙網(wǎng)本身如何反過來彎曲時空。原則上，這種反饋效應(yīng)或許能夠解釋空間的加速膨脹，而不必引入某種暗能量。

不過，也有學(xué)者對這一新主張持懷疑態(tài)度。質(zhì)疑的聲音認(rèn)為，如果這些結(jié)構(gòu)真的橫跨數(shù)十億光年，那么它們的引力應(yīng)當(dāng)會顯著扭曲大爆炸留下的余輝，也就是宇宙微波背景輻射（CMB）。但目前來自宇宙微波背景的高精度觀測，并沒有顯示出與這種超大尺度結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的強烈扭曲。因此，在他們看來，新結(jié)果似乎與CMB觀測存在矛盾。

這場爭論最終或許會歸結(jié)為一個問題：宇宙學(xué)原理究竟是宇宙的一種基本特征，還是只是一種效果不錯的近似？

鑒于ΛCDM模型成功解釋了大量觀測，宇宙學(xué)原理不可能錯得太離譜。不過，各種異常現(xiàn)象表明，它也并不完全正確。換言之，宇宙學(xué)原理不可能被嚴(yán)重違反，但這并不意味著它就是完全正確的。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10702-5

https://www.science.org/content/article/universe-unexpectedly-stringy-which-could-unravel-theory-cosmos

#圖片來源：

封面圖&首圖：FRANCESCO SYLOS LABINI/ENRICO FERMI RESEARCH CENTER