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2012-10-13

宇宙中是否存在特殊取向?

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 6:05 pm

现代标准宇宙学模型也就是λ-CDM模型的基石之一是所谓的宇宙学原理,它认为在大尺度上宇宙是各向同性的,没有特殊的取向,由此一切物理定律在整个宇宙中都适用,宇宙中的物质分布也是均匀的。当前对微波背景辐射和大尺度结构的观测似乎也一再说明了标准宇宙学理论的正确性。那么宇宙学原理这一基础性假设有没有可能并不成立呢?

需要指明的是,标准宇宙学也不是那么的完美,比如微波背景角功率谱的低阶多极矩以及类星体光学偏振似乎都暗示了一个特定取向的存在,另外大尺度速度流以及星系团晕的形态似乎也与标准模型的预言不符。在此背景下,近年有研究者开始探讨宇宙特定取向的问题,而且从数据上看似乎也确实有迹象表明特定的取向是存在的。

首先要说的是微波背景辐射多极矩以及类星体光学偏振的取向。它们彼此各个不同,比如微波背景偶极矩指向银经264度,银纬48度的地方,而四极与八极矩分别指向银经240度,银纬63度以及银经308度,银纬63度,类星体的偏振则指向银经267度,银纬69度。而大尺度速度流给出的取向是282度,银纬6度,与前几组数据偏差较大。这样的差异说小不小,但是考虑观测数据只是暗示特殊取向的存在,这些方向彼此之间(尤其是银经)也不能说是相距过远。更进一步,这些特殊的取向大体平行于黄道面,接近分点。由此第一个问题是,这种特定的取向是否是观测仪器的系统误差所致?

不过至少到现在,人们还没有找到可以解释这一现象的误差。而这些各向异性都是彼此独立的概率也是非常之小。为了证实(或证伪)特殊取向确实存在,人们还需要采取其他方式比对。其他寻找特殊取向的方法大致可以分为动力学与几何两类,前者关心的是大尺度上引力的作用,可以借助星系团X射线辐射、Lyman α森林等实现;后者是试图通过某类可以充当标准烛光的天体的分布来寻找各向异性的线索。当下的工作主要采用的是Ia型超新星的数据,确切地说是2010年公布的Union2样本,其中包括557个超新星。众所周知,由于这类超新星的峰值光度与随后的衰减速率存在良好的关系,只要测量其光变曲线不难推算出它们的本征光度进而是距离,故而一直被宇宙学家当作标准烛光使用。

利用超新星来寻找特定取向的方法叫做半球比较(hemisphere comparison)。首先是随机生成一个方向,然后求出随机方向的单位矢量与各个超新星的方向矢量之标量积,由此将超新星数据分成两组,并分别根据这两个半球上的超新星来拟合宇宙学参数,比较二者的差异。将这一过程重复数百次之后,就可以得知在哪个方向上的两半球差异最大,进而给出特殊取向的方位了。

利用宇宙背景辐射多极矩、类星体、速度流以及Ia型超新星拟合物质密度得出的特殊取向,平均位置在银经278度,银纬44度。(图片来源:Antoniou & Perivolaropoulos 2010

现有的工作采用过两个参数,其一是Antoniou & Perivolaropoulos 2010所用的物质密度,其二是Cai & Tuo 2011所用的加速膨胀因子。二者都找到了特殊取向存在的迹象,前者是在银经309度,银纬18度的地方,后者是在银经309度,银纬21(如果采用不计暗能量的模型则是银经314度,银纬28度),相距非常近。在利用全部Union2样本进行分析之余,这两项工作又都额外考虑了不同红移范围内的超新星给出的结果,彼此也相差不远,只是低红移区偏离大一些。换句话说,宇宙中无论物质分布还是减速似乎都不是均匀的。

根据Ia型超新星拟合减速因子得到的,图中的圆点表示分析过程中生成的400个单位矢量,不同颜色表示各向异性的程度。(图片来源:Cai & Tuo 2011

倘或宇宙中真的存在一个特定的取向,结果会是什么样的?首先宇宙的膨胀速率不再均一,而暗物质和暗能量的分布会存在大尺度的扰动,暗能量状态方程也要作相应的修正。另外在非各向同性的宇宙中,可能会存在大尺度的原初磁场,近来在微波背景辐射的数据中也找到了支持这一点的证据。由于在这样的宇宙中,物理定律可能处处不同,完全了解宇宙的演化也就变得困难重重了。至于非各向同性的起源,有可能是非各向同性的时空曲率,有可能是与非各向同性标量场耦合的旋转宇宙,又或者是更奇异的其他解释。

当然,现有的工作只是个开始,毕竟也有同样使用Ia型超新星观测的其他工作否定了各向异性的存在,所以进一步的分析是非常必要的,现在下定论则为时过早。就个人看来,当前的另一大重点还应该是尽力排除观测期间出现的种种系统误差,毕竟完全均匀的样本是所有分析的基础。

两篇相关的文献:
[1] Antoniou, I. & Perivolaropoulos, L., 2010, JCAP, 1012, 012
[2] Cai, R.-G. & Tuo, Z.-L., 2011, JCAP, 1202, 004

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