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谁驱动了宇宙暗流?

暗物质、暗能量已经够让天文学家焦虑的了,如今又冒出来一个“暗流”。这个宇宙暗流为何产生?有科学家认为,产生原因来自另一个不为人知的宇宙。

对于我们多数人来说,宇宙大得难以想像。但对于宇宙学家却不是这样。不论建造的望远镜多么庞大,他们也不能把视野延伸到450亿光年之外,因为450亿光年是我们这个可观察的宇宙的视界,在这之外的光还传不到地球上来(详见我刊2009年4A《宇宙有多大》——编者注)。

但人类的好奇心是无止境的,能够观察到的宇宙中还有许多事情没弄明白,他们就已经迫不及待地想知道450亿光年之外的世界了。当然了,如果有人能提供一些科学事实或线索,免得大家瞎想,那就更好。果然,美国宇航局的天文学家萨沙·卡什林斯基就找到了这样一些科学线索。

宇宙外的影响

2009年1月,卡什林斯基和他的同事观察到,距地球约30亿光年外的一个星系群中,近千个星系正以每秒1000千米的速度朝着同一个方向飞速移动。卡什林斯基借用目前天文学上热门的“暗物质”“暗能量”等说法,称其为“暗流”。

是什么力量在拖曳着这些星系朝同一个方向涌动?不可能是暗物质,因为宇宙中所有暗物质加起来也不足以产生这么大的引力;也不可能是暗能量,因为暗能量在宇宙中是均匀分布的。只有一个合理的解释:那就是我们所能看见的宇宙之外存在着某个质量巨大、超乎想像的大家伙,这个大家伙的引力在拖曳着近千个星系飞奔,从而形成了所谓的宇宙暗流。

目前还没有人知道宇宙视界之外的这个大家伙是个什么东西。根据暴涨理论,宇宙在大爆炸之后形成一个微小的时空泡泡,然后在它诞生不到几分之一秒的时间,我们所在的宇宙经历了一场急速大暴涨。暴涨的速度甚至超过了光速(我们通常所说的光速是速度的极限,是对于运动物体而言的,而暴涨是空间本身的膨胀,所以其膨胀速度可以超过光速),这样暴涨就把我们所在的宇宙跟宇宙的其他部分分隔开来了。

这一时期的暴涨,把我们所在的宇宙拉伸和抹平了,物质和能量也是分布均匀的,就像团在一起皱皱巴巴的气球被吹大了一样。但是在我们可观察宇宙的视界之外,那里的情况也许与之迥然不同。没有经历过暴涨的“熨平”过程,那里的时空也许崎岖不平,是高度不规则的。譬如我们所在的宇宙就像湖泊里的水一样平整,但湖泊外的地势却是崎岖不平的,湖水随时可以顺地势低的地方流去。

卡什林斯基认为,类似的原因也形成了宇宙中的暗流。而反过来,在我们这个宇宙中暗流的存在,刚好可以让我们推测一下可观察宇宙之外的空间的“地势”高低。

另一个宇宙的作用

一种更极端的理论认为,那个拖曳着我们宇宙里的星系团狂奔的,并非只是我们可观察的宇宙视界之外的什么东西,而是另外一个宇宙。持这种观点的人认为,当初并非只有我们所在的宇宙发生了暴涨,暴涨随时随地都可以发生,时空泡泡在任何地方都可以随时冒出来,每一个泡泡就是一个宇宙;就好比洗衣盆里的肥皂泡,你一搓,就会有无数肥皂泡冒出来、变大。这些小宇宙处于一个更大的多元宇宙之中。这些人计算了一下,任意散布在我们周围的别的宇宙,在我们宇宙中的星系团上产生的引力,结果跟卡什林斯基观察到的现象惊人地一致。

还有一种理论认为,暗流可能是我们的宇宙所在的时空泡泡在大爆炸之后不久撞上别的宇宙泡泡时留下的痕迹。根据一个叫“永恒暴涨”的理论推测,每一个宇宙泡泡可以带着一套粒子和基本相互作用力从虚空中跳出来,所以两个泡泡之间会发生碰撞。如果两个泡泡带的粒子和物理规律相同,它们将发生一次大规模的能量爆发,然后融合在一起;如果是两个截然不同的宇宙相撞,那么会产生一堵“能量墙”,把两个不相容的宇宙分开,然后能量较高的泡泡将继续膨胀,把这堵“能量墙”往另一个宇宙泡泡上推,途中的任何物体都将被清除干净。

如果我们的宇宙经历过这样的一场大碰撞,这场宇宙劫难留下的任何痕迹都会出现在正对着碰撞发生的那部分天空。碰撞的冲击将扭曲空间,然后影响经过的光线(包括宇宙背景辐射),以及包括星系和星系团在内的宇宙大尺度结构的演化。在这个方向上,宇宙将会展示出奇特的性质,而涌动的暗流或许就是其中之一。

质疑宇宙学模型

暗流之所以被宇宙学家视为不同寻常,是因为它完全出乎标准的宇宙模型预料之外。在宇宙的标准模型里,在大尺度结构上,物质在空间的分布是均匀、各向同性的,所以宇宙中没有一个特殊的方向。如果观察大范围的星系团的运动,那么这些星系团应该像伊索寓言《天鹅、梭子鱼和虾》中描述的情景一样,各朝各的方向运动,彼此形成不了统一的行动。可是卡什林斯基观察到的结果完全颠覆了这一预测。

于是有人怀疑很可能标准的宇宙学模型出了问题。譬如有科学家早就提出,宇宙中的物质分布也许在大尺度上并不是均匀的,而是具有分形结构的特点(详见我刊2012年4A《宇宙均匀吗?》一文——编者注)。不均匀的物质分布造成了不均匀的引力场;在不均匀引力场的作用下,众多星系团朝着某个方向整齐划一地行动是完全有可能的。

然而,一个分形的宇宙或许会给我们带来很大的麻烦。比如说,物质分布的分形结构与暴涨理论是不相容的,因为暴涨理论恰恰是建立在均匀宇宙基础上的。所以理论家们将不得不先解决,一个分形的宇宙是如何产生出来的这个问题。

更多的物理学家也在质疑,暗流是否真是受到可观察宇宙之外的什么东西的吸引。因为前面提到,可观察宇宙的边缘距离我们大约有450亿光年,而卡什林斯基观察到的那些飞速运动的星系团只距离我们大约30亿光年,它们距离宇宙的边界事实上还十分遥远,因此把它们的运动归结为宇宙外面的东西在作祟,似乎有些牵强。

当然了,如果是我们所在的宇宙自身的原因,那么这一发现依然对当前的宇宙学标准模型构成严峻的挑战。

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