宇宙微波背景的两个谜团
宇宙微波背景的两个谜团中科院物理所
2022-05-13 22:49
The following article is from 万象经验Author Eugene Wang
在前面的文章中，我们已经讲了从宇宙微波背景（CMB）的微小温度差异所能提取的信息。今天，我们继续来看这些斑点，顺便谈谈两个未能解释的谜团。但是，在此之前，我们需要稍微深入了解下一些数学知识。
让我们先看看下图这个奇怪的波形。当物理学家、数学家和电气工程师看到这种情况时，他们会询问该函数是否可以分解为正弦波和余弦波的组合。这种数学形式称为傅里叶级数分析，当我们对其应用适当的技术时，我们会发现这个波形函数是许多纯正弦波的混合。
在宇宙微波背景的研究中，这种类似的方法也可以用来告诉我们一些信息。相信大家都看过下图这种CMB图像，它是由普朗克卫星拍摄的，最终版本于2018年公布。在图中，红点温度比平均温度略高，而蓝点越冷，不过它们之间的变化小于0.01%。如果该图像令人困惑，可以将CMB图像视为高尔夫球的表面。高尔夫球基本上是一些球形，但它表面有许多小凹坑，使它变得轻微地凹凸不平。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/icPYRAWO7GBtmib7qHFWibwN5nW611qMcaCSicHpKxwjFQmicN6Z2n0sbBUg1HcUdbmDic99xRRBqv0yBJJhIzic2KYEw/640?wx_fmt=jpeg
宇宙学家是如何描述CMB的呢？就像刚才我们所举的数学例子一样，他们做了类似的事情，但使用的是球谐函数。这些球谐函数类似于我们刚刚看到的正弦波，并且涉及一些称为勒让德多项式的复杂函数。请不要担心，我们不需要任何深奥的数学知识，会有许多图片帮助理解。首先来看一下简单的情况，球谐函数最简单的方程是在南北极之间存在差异，如下图1所示，这相当于只波动一次的波函数。然后，我们就可以扩展更复杂的情况，南北极仍然是一冷一热，但中间又多了额外的两条冷热纹路，相当于波动两次的波函数。按照这个方式继续扩展，我们可以得到许多不同的球谐函数，具有各种波动模式。像傅里叶分析一样，当我们把许多合适的球谐函数叠加在一起的时候，我们就可以得到CMB的模式了。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/icPYRAWO7GBtmib7qHFWibwN5nW611qMcaCibEzl155lsQB73O82TJPL1tqUJkibkpr3DVHAibI6kgvmNkBFSsCQrT1A/640?wx_fmt=jpeg
但是，当我们查看这些球谐函数的方向时，谜团就出现了。每个球谐函数都有一个轴，轴一般来说不难确定。想象一下橄榄球，它是一种扭曲的球体，它有一个方向比其他方向更长，轴沿着球最长的方向。所有这些球谐函数轴的方向都是随机的，不应该有首选方向。然而，当我们观察一些组成CMB的球谐函数的方向时，它们似乎在同一个方向，更奇怪的是还和太阳系的轴对齐。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/icPYRAWO7GBtmib7qHFWibwN5nW611qMcaCJTmSicNfOw1f5wx4iaibTXeBmH2MIAsJogIPhQ3G5D3kAmXZJ068ymKFw/640?wx_fmt=jpeg
CMB大约是在137亿年前创建的，而太阳系仅在45亿年前创建，所以CMB不应该知道太阳系的存在。而两种方向的对齐又暗示着CMB和太阳系之间应该有某种联系，这令人难以置信。处于这种原因，天文学家称这种排列为邪恶轴。有些科学家认为这种奇怪的对齐可能只是偶然，也可能是数据分析技术巧妙地塑造了数据，这种对齐不太可能具有任何宇宙意义，因为它会否定很多我们对宇宙学的了解。不过，一些宇宙学家仍在研究数据，试图弄清楚邪恶轴的含义。如果邪恶轴还不够诱人，那么CMB中还有一个迷人的特征尚未得到满意的解释，它就是宇宙冷点。宇宙微波背景的温度大约为2.7开尔文，那些热点与冷点上下相差仅18微开尔文，变化真的非常小。然而，有一个地方非常令人费解，它被称为宇宙冷点，这个地方的平均温度比正常温度低了70微开尔文，最冷的点甚至低了140微开尔文。
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那么，是什么导致宇宙冷点的出现呢？最简单的解释是宇宙恰好是这样创造的，这是一种可能性。但是，有人提出了其他解释，其中最吸引人的想法是，冷点是宇宙大爆炸后我们的宇宙与另一个宇宙碰撞留下的痕迹。另外，最被科学家认可的是，在CMB和我们之间存在巨大的超空洞，它是一个没有任何星系的区域。当CMB的光进入超空洞时，也就是相当于光在远离物质，根据广义相对论光会失去能量，此时温度看起来就比较低。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/icPYRAWO7GBtmib7qHFWibwN5nW611qMcaCDnKwVVvCfpMwSfiag0RVRhwbf2vbIHKSziaZTge2PrMz5bicibNkicf0Tog/640?wx_fmt=jpeg
现在，天文学家在宇宙冷点的方向寻找空洞。有些人认为这个空洞的直径将近20亿光年，并且至少位于30亿光年之外。其他研究提出了超空洞的不同距离和大小，还有研究则质疑它的存在，这个问题仍然未解决。
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