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宇宙真的有“墙”?不是你想的那样!

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发表于 2018-11-22 08:17:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源: 中国科学院国家天文台
  上个月(2018年10月),一则“科学家发现了宇宙墙”的“新闻”开始在网上流传。这些“新闻”来源不明,大多数并未署名,每篇文章也略有不同,不过意思都差不多。
  照其说法,“意大利的科学家们在离地球一百亿光年之外的波江座里,发现了一条横跨35亿光年的真空带,也就是所谓的宇宙墙。在其内部,不说星团、星球了,连点暗物质都没有,像一堵墙一样,为宇宙划出了边界。。。。。。我们的宇宙被一堵墙包围着。一种可能是,我们是由某种更高的文明培育起来的试验场。”这些报道说他们引述的是国际科技杂志《新科学家》(New Scientist) 的报道。


图1 在网上搜索“宇宙墙”的结果
  这如果是真的,那真可谓是轰动全球的发现,我的一些朋友纷纷转发,甚至有比较专业的纸媒在其公众号每天发布的科技新闻中也引述了,虽然该报编辑谨慎地删去了“我们是由某种更高的文明培育起来的试验场”这种过于科幻的说法。
  但其实这整个故事完全是一个假新闻:其始作俑者不知是谁,那些文字略有不同的“报道”大概也都是相互抄袭的,而其内容则是通过在一个真实但并不惊人的科学新闻里塞进大量误解和臆想的内容后炮制出来的。


图2 某篇报道“宇宙墙”的新闻中的一幅配图
  我们先来看看这则假新闻所引用的《新科学家》杂志的报道。查阅该杂志2018年10月的新闻报道,可找到该杂志在2018年10月17日出版的新闻中,提到科学家们发现了一个被命名为亥伯龙神(Hyperion)的巨大原超星系团(proto-supercluster),打破了形成最早、质量最大的纪录,并配发了欧洲南方天文台(ESO)发布的图片。
  其实,早在上世纪80年代,天文学家们就在观测中发现了这种由许多星系组成的、长条形的大尺度结构,被天文学家们戏称为 great wall ,可以译为星系长城或者星系之墙(国内当时一般翻译为“巨壁”)。
  这样的结构并没有什么太神秘的性质,以往也已经发现很多次了,算不上什么特别重大的新发现。这一次发现的创新性,主要体现在比以往发现的类似结构更大、形成更早。大多数英文媒体(包括《新科学家》)的报道也主要是强调这一点,而并非中文假新闻中那样说这是宇宙边界之墙。
  不过,有趣的是,我发现了几个出现较晚的英文报道,内容和以上中文错误报道很类似。发表这几个英文报道的媒体都有很多关于中国的报道,也许就是华人办的,因此他们大概是被中文媒体带歪了。
  另一个有趣之处是,这些假新闻中都配了许多看上去十分神秘的天文美图,尽管这些图与内容并不相关,但却就是不放这张《新科学家》配发的这一天体本身的图片,大概是这张图片过于写实,让人看后顿时没有了神秘感吧。


图3 亥伯龙神超星系团 (ESO)
  那么,这种所谓的宇宙墙或者说星系长城到底是什么东西呢?发现最大、最早的星系长城又有何意义呢?研究宇宙中物质如何分布是宇宙学的一项重要内容,宇宙中星系的分布并不完全是均匀的,而是有的地方密集一些,有的地方稀疏一些。
  按照万有引力定律,密度高的地方有更强的引力,会把周围的物质吸引过去,而稀疏的地方引力较小,它里面的物质就更容易被周围密度高的地方吸走。因此,密的地方就会越来越密,稀的地方越来越稀,宇宙会从微小的随机扰动开始,逐步形成复杂的纤维状结构,这种过程现代宇宙学家们可以使用计算机模拟出来,下图所示的就是一个模拟中的宇宙大尺度结构。


图4 数值模拟形成的星系大尺度结构( V。 Springel)
  所谓星系长城,其实就是其中的一些纤维状结构。不过,按照现在标准的宇宙学常数-冷暗物质模型(LCDM)的理论预言,这种结构是从小到大、逐渐形成的,因此在宇宙比较早的时期形成的结构应该是比较小的。如果在宇宙早期就发现非常大的结构,那就说明现有的理论很可能有错误,或者至少是不够全面的。
  因此,观测天文学家们一直在致力于找到更早、更大的星系长城,以便更严格、深入地定量检验现有的宇宙学模型。正因为这样,也不时会有“发现最大结构”的新闻。《新科学家》在此之前也多次报道过类似的科学发现。
  不过,亥伯龙神超星系团位于天空中六分仪座的方向上(星座里的恒星都在银河系里,天文学家提到某某天体在某个星座时只是说这个天体在那个星座的方向上,而不管距离远近),并不在这篇报道中提到的波江座方向上,这又是怎么回事吗?难道这一报道另有所本?
  进一步的检索发现,原来早在2007年11月21日,《新科学家》发表过一篇题为“巨洞:另一个宇宙的印记”(The Void: Imprint of another Universe) 的文章,很可能就是这些“宇宙墙”之说的源头。


图5 宇宙微波背景辐射温度图 ,用圆圈标出的就是波江座的冷斑
  这篇文章介绍的是当时的一个发现。天文学家们在分析宇宙微波背景辐射数据的时候,在波江座方向上发现了一个5度大小的冷斑——这里宇宙微波背景辐射的温度比平均温度低大约十万分之二点五——尽管这个差异似乎并不大,但也远远超过了随机涨落的大小。
  一些宇宙学家提出了产生这一巨大冷斑的一种解释:在这一方向上存在一个巨大的低密度区,当宇宙微波背景辐射的光子从远处向我们飞来时,如果它们经过这一低密度区。由于低密度区引力场的变化,飞过的光子能量就会有所降低,我们在这一方向上就会看到一个巨大的冷斑,这被称之为积分萨克斯-沃尔夫(ISW)效应。天文学家们在分析这一方向的星系巡天数据时,真的发现了一个巨大的低密度区,或者叫巨洞(void)。
  巨洞的出现并不奇怪,比如在图4显示的大尺度结构模拟中,就可以看到很多巨洞。和星系长城一样,这是万有引力作用下结构演化自然形成的。
  这些巨洞周围环绕着一些星系长城,但它们并不是如假新闻中所想象的那样,如同一堵墙那样把巨洞和宇宙的其它部分分隔开来,实际上空洞有点像海绵中的洞洞一样,每个巨洞都连着多个其它巨洞。另外,巨洞也是相对的,很多巨洞中并不是一个星系都没有,只是相对比较稀少而已。


图6 某些人错误理解的“被宇宙墙包裹起来的宇宙”
  不过,正如星系长城的形成一样,巨洞也是随着时间越来越大的,因此如果在宇宙早期就形成特别大的巨洞,同样是和标准理论相矛盾的。《新科学家》杂志2007年的报道,就是因为当时科学家们发现这个巨洞实在太大了,根据标准模型的计算难以形成这么大的巨洞,因此有些科学家提出了一些新奇的解释——比如一个平行宇宙与我们的宇宙在某个地方发生碰撞,从而产生这种巨大的结构。
  在科学上,超出寻常的说法需要超出寻常的过硬证据,因此对于科学家们而言,这还只是一种能自圆其说但未必正确的假说而已,除此之外也有多种更平常的解释。但是,许多国内外的小报和自媒体是把它当真了,有不少相关的网文引用这一报道。
  实际上,后来在2016年,一些科学家使用了新的数据并采用了改进的方法进行分析后发现,观测与标准模型的差异并不像原来想象的那么大,仍可用标准模型解释。当然,我们也不必非要否定这种“脑洞大开”的解释,但至少就目前看来,上述观测并不一定需要多么奇特的理论解释,而完全可以在现有模型的框架内加以理解。
  我猜也许本次假新闻的炮制者在了解到《新科学家》即将做出关于星系长城相关报道的消息后,上网一查,于是把以往的这些小道消息汇总成了这篇耸人听闻的假新闻。
  同时,由于他们误解了“巨洞”和“墙”这些词的含义,于是就想象出了一个完全被墙包裹着的、空无一物的神秘宇宙来了。这倒也可以作为一个科幻小说的题材,不过可惜并不是我们实际生活的宇宙。
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