宇宙的膨胀可能在各个方向上都不尽相同

宇宙学的基本思想之一是，如果你看足够远的地方，所有东西在各个方向上看起来都是一样的。一项使用NASA钱德拉X射线天文台和ESA的XMM-Newton数据的新研究正在挑战这一基本概念。

天文学家利用来自这些轨道天文台的X射线数据，研究了数百个星系团，它们是宇宙中由重力聚集在一起的最大结构，以及它们在天空中的表观性质如何不同。

这张图表包含了一张完整的天空地图，显示了数百个星系团中的四个，这些星系团被用来测试宇宙在大尺度上是否在各个方向上都是相同的。
来源：NASA/CXC/Univ. of Bonn/K. Migkas et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

“宇宙学的支柱之一——研究整个宇宙的历史和命运——就是宇宙是‘各向同性的’，意思是在各个方向上都是一样的。”领导这项新研究的德国波恩大学的康斯坦丁诺斯·米卡斯说，“我们的工作表明，那根柱子上可能存在裂缝。”

天文学家普遍认为，在大爆炸之后，宇宙在不断膨胀。一个常见的类比是，这种膨胀就像一条烤葡萄干面包。当面包烘烤时，葡萄干(代表宇宙中的物体，如星系和星系团)会随着整个面包(代表空间)的膨胀而彼此远离。在均匀混合的情况下，膨胀应该在各个方向上都是均匀的，就像在各向同性宇宙中一样。但这些新的结果可能不符合这种情况。

“根据我们的星系团观测，我们可能发现了宇宙膨胀速度的差异，这取决于我们观察的方向，”来自马萨诸塞州剑桥市哈佛大学|天体物理中心和史密森尼学会(CfA)的联合作者杰里特·谢伦伯格（Gerrit Schellenberger）说。“这与我们今天在宇宙学中使用的最基本的假设之一相矛盾。”

科学家此前曾对宇宙在各个方向上是否相同进行过许多测试。这些包括使用爆炸恒星的光学观测和星系的红外研究。先前的一些努力已经提供了可能的证据，证明宇宙不是各向同性的，而有些则没有。

这项最新的测试使用了一种强大、新颖和独立的技术。它利用了弥漫在星系团中的热气体的温度与其产生的X射线量之间的关系，即星系团的X射线光度。星系团中气体的温度越高，X射线的光度就越高。一旦测量了星系团气体的温度，就可以估算出它的X射线光度。这种方法不依赖于宇宙量，包括宇宙的膨胀速度。

一旦他们使用这项技术估算出了星系团的X射线光度，科学家便使用了另一种方法来计算光度，该方法的确取决于宇宙学量，包括宇宙的膨胀速度。研究结果表明，在整个天空中，某些方向宇宙的膨胀速度明显快于其他方向，这表明宇宙在某些方向上远离我们的速度更快。

该团队还将这项工作与其他小组的研究进行了比较，后者使用不同的技术发现了缺乏各向同性的迹象。他们在最低扩张率的方向上找到了很好的共识。

这项新研究的作者针对涉及宇宙学的结果提出了两种可能的解释。这些解释之一是，大群星系团可能一起移动，但这并不是因为宇宙膨胀。例如，其他附近星团有可能被其他星系星团的引力沿同一方向拉动。如果运动足够快，可能会导致估计星团的光度时出现误差。

这些相互关联的运动在不同方向上呈现出不同的膨胀率。天文学家们已经在相对较近的星系中发现了类似的效应，这些星系的距离通常不到8.5亿光年，相互的万有引力可以控制物体的运动。但是，科学家们希望，宇宙的膨胀将主导星团在更大距离内的运动，而这项新研究所探测的星光可达50亿光年。

第二种可能的解释是，宇宙实际上并非在所有方向上都是相同的。一个有趣的原因可能是暗能量——一种似乎在推动宇宙加速膨胀的神秘力量——本身并不均匀。换句话说，X射线可能表明宇宙中某些地方的暗能量比其他地方的强，从而导致不同的膨胀率。

“这就像面包里的酵母没有均匀地混合在一起，导致有些地方比其他地方膨胀得更快，”论文的合著者、波恩大学(University of Bonn)的托马斯·赖普里奇(Thomas Reiprich)说。“如果暗能量在宇宙的不同地方被发现有不同的强度，那将是非常了不起的。然而，还需要更多的证据来排除其他解释，并形成一个令人信服的论点。”

这两种宇宙学解释都将产生重大后果。许多宇宙学研究，包括对银河星团的X射线研究，都假设宇宙是各向同性的，并且与在此处探测距离处的宇宙膨胀相比，相关运动微不足道。

研究小组使用了313个星系团的样本进行分析，其中包括237个由钱德拉观测到的星系团，总曝光时间为191天，76个由XMM-Newton观测到的星系团，总曝光时间为35天。他们还将他们的星系团样本与另外两个大型x射线样本结合起来，利用来自XMM-Newton和日美先进的宇宙学和天体物理学卫星(ASCA)的数据，得出了总共842个不同的星系团。他们用同样的方法得到了相似的结果。

一篇描述这些结果的论文将发表在2020年4月出版的《天文学与天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)杂志上，并可在线获取。除了米格卡斯（Migkas）、谢伦伯格（Schellenberger）和雷普里希（Reiprich），本文的作者还有弗洛里安·帕考（Florian Pacaud）和米里亚姆·伊丽莎白·拉莫斯·塞贾（Miriam Elizabeth Ramos-Ceja）（波恩大学）和Lorenzo Lovisari（CfA）。

NASA的马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉项目。史密森尼天体物理天文台的钱德拉X射线中心控制着剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行业务。

更多信息请访问NASA钱德拉X射线天文台。。

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