为什么宇宙微波背景中的一个巨大“冷点”长期以来一直困扰着天文学家

By Paul Sutter

published 19 hours ago 

The Universe

    来自年轻宇宙的剩余光有一个主要缺陷，而我们不知道如何来修复它。

(Image credit: NASA)

    来自年轻宇宙的剩余光有一个主要缺陷，而我们不知道如何来修复它。这是冷点。它只是太大了和太冷了。天文学家不确定它是什么，但他们大多同意它是值得研究的。

    宇宙微波背景（CMB）是当我们的宇宙只38万岁老时产生的。当时我们的宇宙比它今天是的更小大约一百万倍，有过一个超过10000开尔文（17500华氏度或9700摄氏度）的温度，这意味着所有的气体都是等离子体。随宇宙膨胀了，它冷却了，等离子体变成了中性的。在这个过程中，它释放一个白热的光的洪水。从那以后的数十亿年里，这种光已经冷却并伸展到一个大约3开尔文（零下454华氏度或零下270摄氏度）的温度，将辐射牢牢放在电磁波谱的微波波段。

    宇宙微波背景几乎是完美均匀的，但有大约是百万分之一的温度中的微小差异，而这看起来像各种形状和大小的大斑块一样不完美是关于它最吸引人的部分。我们不能准确预测这个波动将是什么，哪些确切的点会是冷的哪些点会是热的。那是因为我们正在看到的光正来自宇宙的现在被拉离开可观测观望的一个部分。

    这意味着我们不得不依靠统计数据来理解宇宙微波背景。我们不能说什么斑点会出现在哪里，我们只能用物理学来了解斑块的平均大小以及它们可能是多热或多冷的。

冷点

    关于宇宙微波背景的几乎所有东西都很好并花花公子的。我们了解斑点来自哪里，几十年来，为得到一个更好的观察我们已经建造了越来越精致的望远镜和卫星。事实上，宇宙微波背景的检测和测量是科学界最大的成功案例之一。然后有冷点。

    现在在宇宙微波背景中有很多冷点。但有一个——冷点——是突出的。它甚至视觉上脱颖而出。如果你观察宇宙微波背景的一个映射——在那里整个天空球体被压缩成一个诡异的、模糊的椭圆形——它是向下的稍微偏右一点。在天空中，它位于波江座星座的方向中。

    冷点是奇怪的冷的。依靠你如何定义斑点的边缘，它比平均水平更冷约70微开尔文，与平均冷点仅比平均水平更冷18微开尔文相比。在它的最深部分，它比平均更冷140 毫开尔文。

    它也大——大约5度宽，这听起来并不多，但这大约是10个满月并排排列。宇宙微波背景上的平均光斑小于 1 度。因此它不仅诡异的冷而且诡异的大。

    现在这是事情变得棘手的地方。很容易看到冷点。天文学家在2000年代初首次用美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器发现了它，欧洲航天局的普朗克卫星证实了冷点的存在。因此，这不仅不是仪器的一个侥幸、测量误差或一些诡异的外星人干扰 - 这是一件真实的事情。

这导致另一个问题：我们在乎吗？

    我们不能说宇宙微波背景上的某些斑点会出现在什么位置，我们只得到统计信息。关于这个有很多来回，但普遍的共识是是的，只是出于随机的机会我们不应该合理的期望冷点是如此之大和如此之冷，基于我们的早期宇宙物理学的理解，它只太对齐了。

    是的，随机的大点和冷点应该偶尔的出现，但我们只看到一个纯随机机会的几率是不到 1%（而且可能要低得多，这取决于你问谁）。因此，尽管我们可以说我们非常不走运并得到了一个冷点，但这是足够罕见的它需要更多的关注。

    因此这不是一个测量误差，也可能不是随机机会。如此它是什么？

天空的映射显示宇宙微波背景（CMB），这是早期宇宙时期的一个残余物，当时这种丧失的暗物质可能存在。(Image credit: © ESA and the Planck Collaboration)

激烈的争论

    对冷点的奇怪性质的有利解释是，这是由于一个巨大的宇宙空无位于我们和那个方向的宇宙微波背景之间。宇宙空无是几乎什么都没有的大片。但尽管这种空无性，它们确实影响宇宙微波背景光，那是因为空无正在进化。

    当来自宇宙微波背景的光第一次进入一个空无时，随它从一个高密度过渡到一个低密度环境获得一点能量。在一个完美静止的宇宙中，当光离开另一边时它会丧失等量的能量。但因为空无正在变化，当光第一次进入时空无可能相对较小和浅，当它离开时空无又大又深。

    这导致穿过空无的宇宙微波背景光的整体能量的损失 - 这一过程被称为综合萨奇斯沃尔夫（Sachs-Wolfe）效应。

    因此，一个巨大的空无可以潜在的解释冷点，但有一个问题：我们不确定是否在那个方向中真的有一个巨大的空无。我们有天空的那部分的映射和星系调查，但它们在某种程度上都是不完整的，它们要么不能捕捉到每一个星系，要么不能跨越整个假定的空无的体积。因此，这在文献中也有很大的来回，一些团体声称识别了一个超级空无，而另一些团体说那里没有什么特别的东西。

    另外，即便那个方向上有一个超级空无，不清楚它会给出一个足够强的效果来创造我们看到的冷点。

   这种模棱两可的态度为一些开箱即用的提议留下空间，比如冷点是我们宇宙和邻近宇宙之间的一个残余交点的想法。但甚至这个假设不能来解释冷点的所有属性。

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    冷点会使大爆炸不实在吗？绝对不。值得探究吗？几乎可以肯定。我们能最终弄清楚它是什么吗？也许不。

    科学就是这样。它从来不是完美的，在某些理论方面总有一些小刺。有时，这些荆棘开花来揭示新种类的传统知识，有时这些荆棘随着科学家的慢慢削去它枯萎，有时它们只是坐在那里，从未被完全解决，从未被完全回答，但从未上升到需要更多关注的程度。

    对我无论哪种方式都行。为什么？因为在这个宇宙中没有任何东西是完美的，甚至连我们描述的它。