大型X射線天空勘测能够緩解圍繞宇宙「塊性」的危機

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By Robert Lea

 published 19 February 2024

    The Universe

    " 也許宇宙學家現在能放鬆一点"。

由用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查全天空勘查看到的星系團，紅點表示紅移天體1，藍點表示紅移天體3。 (Image credit: MPE, J. Sanders for the eROSITA consortium)

    一个星系團如何在宇宙的138億年歷史中演化的新分析可能帮助解決一个圍繞我們宇宙的物質内容的“塊性”的長期緊張。下到这条线上，它還可能幫助科學家解決許多其他宇宙秘密。

    来自2022 年 2 月完成了 4.5 次全天空X 射線源勘查的用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查（eROSITA）的第一批數據，包含宇宙中總物質的量和物質平滑度或“勻质性”的精確測量。

    這些發現可能帮助解決一个宇宙學標準模型的理論預測和刚好在宇宙大爆炸後誕生的叫宇宙微波背景（CMB）的宇宙化石觀測之間的差異。目前，这兩个关于宇宙物質是多塊狀的不一致。

    這種差異已经成被称为S8紧张的，S8是科學家用來在大約2600萬光年尺度上量化物質波動的幅度參數。換句話說，宇宙的塊性在一个广大的尺度上。

    雖然S8紧张对宇宙学可能不像「哈勃紧张」一樣一个突出的问题，「哈勃紧张」描述一个科學家在計算宇宙的膨脹率中看到的差異，但它仍然代表一場正在醞釀的風暴。甚至已经提出我們可能需要找到全新的物理學來解決這個難題。然而，新的用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查數據提供不用如此急剧的测量S8緊張能被緩解的希望。

    用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查星系團和宇宙學團隊的首席科學家爱思拉布尔布尔在一份聲明中說，“对精確宇宙學用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查現在已經建立了星團演化測量為一个工具，我們從星系團測量的宇宙學參數與最先進的宇宙微波背景是一致的，表明從大爆炸后不久到今天相同的宇宙學模型把持着”。

用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查解決一个正在醞釀的宇宙危機

    宇宙學的標準模型或“λ冷暗物質（ΛCDM）模型”提示大爆炸之後宇宙立即的是一个光子或光的粒子、自由電子和質子的熾熱和密集的海洋。

    據信這些電子此時有無休止的散射的光子，這意味着宇宙基本上会一直是不透明的。这直到大約 400000 年後当宇宙已经膨脹和冷卻到足够来允许電子和質子足夠接近来一起鍵合并创造第一批氫的原子时为止。

    在這個再電離纪元期间，光子突然的被允許来旅行，宇宙變得對光透明的。這種“第一光”現在幾乎完美均勻地充滿宇宙并被稱為“最後散射的表面（CMB）”。因为這个光自第一批恆星和星系之前就已經存在着，最後散射的表面是一个追蹤宇宙已经如何演变的极好工具。

    隨宇宙時間进展，第一批原子聚集来形成第一批氣體雲，然後是第一批恆星，第一批恆星聚集成星系，而星系它们自己擠成第一批星系團，最終導致已知宇宙中一些最大的結構。

    在俄羅斯-德國光譜-倫琴-伽馬（SRG）宇宙飞船上的主要儀器用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查對這些星系團的觀測表明，可見物質和暗物質包含宇宙的總能量密度的29%，與宇宙微波背景的測量一致。

兩個版本的用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查全天空勘查目錄（eRASS1）數據（右）地球上空的X射線天空（右）X射線源。 (Image credit: MPE, J. Sanders für das eROSITA-Konsortium)

    在觀測星系團中，用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查已经還能夠用S8參數提供一个物質的塊性的測量。雖然之前的宇宙微波背景實驗已经提示S8的一个比標準模型預測的更高值，但用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查的這塊宇宙化石的觀測是更与這些理論預測排队的。

    研究負責人、馬克斯·普朗克外星物理研究所博士後研究員維托裡奧·吉拉爾迪尼（Vittorio Ghirardini）在聲明中說，“用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查告訴我們，宇宙在整個宇宙歷史中就像被預期的一样行为，與宇宙微波背景沒有緊張------也許宇宙學家現在能放鬆一下”。

宇宙幽靈狩獵

    用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查的星系團的觀測也已经幫助科學家更多地瞭解关于叫中微子的微小粒子，這些粒子有如此小的質量和電荷以致它們基本上在雷達下旅行。事實上，每秒有 100萬億個的它們穿過我們的身體，沒有被注意到。這不僅使中微子出了名的難来探測，而且為它們贏得了“幽靈粒子”的綽號。

    這些微小質量的粒子也允许它們以接近光速竞速穿过宇宙，因为這一事實，天文學家將它們描述為“熱”。溫度本質上是一个衡量粒子正在多快移動的测量。這意味著中微子能在宇宙中平滑出物質的分佈，而這種作用能被调查我們所知道的最大宇宙結構的演化测量。.

    因此，將星系團的用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查測量與宇宙微波背景的觀測結合，又提供了用一个宇宙學探測器取得的最精細的總中微子質量值的測量。

    吉拉爾迪尼說，“這聽起來可能矛盾的，但我們已經從宇宙中最大的暗物質暈中獲得了對已知最輕粒子質量的紧的约束，我們甚至處在一个當與地面中微子實驗相結合時来測量中微子的總質量突破的邊緣上”。

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    成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查的宇宙的探究並不止於此，來自儀器的數據也應該能夠揭示宇宙中最大結構的生長率，某些由愛因斯坦1915年的引力理論廣義相對論預測的东西。

    由成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查看到的12247個光學識別的星系團的早期分析似乎表明，這種生长率在宇宙學晚期比廣義相對論預測的稍更慢一些。

    馬克斯·普朗克地外物理研究所的博士後研究員伊曼紐爾·阿蒂斯（Emmanuel Artis）在聲明中說，“我們可能正處在一个新發現的邊緣上，如果它能被證實，用成像望远镜阵列扩展的伦琴射线勘查將為超越廣義相對論的令人興奮的新理論鋪平道路”。