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天文学家懵了,宇宙膨胀速率或因地而异,我们或真生活在大黑洞中

洛伦兹不变性是来自爱因斯坦狭义相对论的一个概念,它认为,在宇宙各处物理定律都是一样的。而基于广义相对论的宇宙学也认为,只要观测尺度足够,那么从各个方向上看宇宙都是一样的。正是这两点构成了现代宇宙学的支柱。

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自人类发现宇宙一直在不断膨胀以来,科学家一直认为,宇宙是在向各个方向均匀膨胀。但是根据2020年4月8日发表在《物理学家组织》上的一篇文章,一项基于NASA钱德拉太空望远镜和德国ROSAT X射线观测站数据的研究显示,我们的这种认知是错误的,即宇宙的膨胀速度可能因地而异,人类宇宙学的支柱或存在裂痕。

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这一发现一旦被确认,可能将颠覆现代宇宙学的认知,更可能证明了我们的宇宙真的是一个黑洞。究竟是怎么回事呢?

137亿年前的闪光

自宇宙大爆炸以来,宇宙已经连续膨胀137亿年,并且有着不断加速的趋势。而这一现象已得到宇宙微波背景辐射(CMB)观测数据的支持。

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宇宙微波背景辐射是来自宇宙大爆炸38万年后的古老光子。极早期的宇宙充斥着混沌状态的等离子,直到38万年后,宇宙才冷却到足以使质子和电子结合成氢原子,光子才得以自由穿行,并跨越了137亿年的时空被我们捕捉到。

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而宇宙微波背景辐射告诉我们,在“宇宙38万岁”的时候,宇宙的确在各个方向上都是匀速膨胀的,但是137亿年过去了,事情还会像当初一样吗?

来自X射线的数据异常

若宇宙仍像137亿年前一样保持各个方向等速膨胀,那么相同环境、相似距离的不同星系对于我们来说应该亮度相同。发表该文章的团队就利用这点测量并估计了宇宙目前各处的膨胀速度。

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他们筛选出符合条件的星团,并观测这些星系团中那些炽热的气体释放的X射线,确认该星系团的温度,并根据这些数据估算这些星团X射线的光度。同时,他们还运用了传统方式,一种依赖宇宙膨胀速度的方式计算X射线亮度。

通过把两个结果相对比他们发现,在先后验证的800个星系团中,并不是每个星团的两个数据都相等。即新方法测出的数据与传统方式的预期并不完全相符。

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经过对比,他们发现了一些温度相似、距离相似,但是方向不同的星系团之间存在着明显的亮度差异。可能这个方向高于预期,另一个方向又低于预期,两个方向上差异能有30%,可以说相当显著了。

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紫黑慢,红黄快

在得出“宇宙膨胀速率因地而异”的结论前,研究人员也考虑了其他可能。例如存在未被检测的尘埃遮挡了视线或者大型引力源造成的大规模物质流动,但是观测数据上并不支持这些情况。

研究人员表示,如果他们得出的结论正确,那么人类将不得不重新审视之前所认知的一切。

除本次研究外,此前也有研究显示,宇宙的膨胀速率似乎并不相同

令人发懵的三种膨胀速率

在2019年7月15日发表于《天体物理学》上的一篇研究显示,来自芝加哥大学和卡内基大学的科学团队用三种方法精准地测量了三种完全不同的宇宙膨胀速率

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这项实验中并非直接测量宇宙膨胀速率,而是对根据哈勃太空望远镜的数据计算哈勃常数,间接了解宇宙膨胀速率。所谓“哈勃常数”,就是宇宙中星体退行速度与退行距离的比值。

他们总共用了3种方法去计算哈勃常数。

首先是“造父变星法”。造父变星是一种每隔一段时间就会发射脉冲的恒星,天文学家可以利用其脉冲亮度与周期来确定其与地球的距离,并通过长期监测其脉冲红移确定其退行速度,由此计算出哈勃常数。

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第二种方法是宇宙微波背景辐射法。第三种方法则是通过观测红巨星与la型超新星计算出哈勃常数。

三种方法得出的数据分别为每百万秒74公里,每百万秒67.4公里,每百万秒69.8公里。

三种大小不同的数据着实让当初的天文学家懵掉了,但根据今年研究的猜想,这可能是由于去年研究时恰好选择了三个膨胀速率不同的区域进行观测。

不过,为什么这些可能意味着我们的宇宙真是一个大型黑洞呢?

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四维黑洞的膜

一篇于2013年9月13日发表在《自然》杂志的研究报告指出,我们的宇宙可能是四维空间超级黑洞的视界膜,膜的生长被我们这些三维生物认为是“宇宙膨胀”。

在我们的宇宙中,黑洞的视界是一个球型,其表面是一个二维的膜。而在四维宇宙中,其黑洞的“视界膜”将是三维的,这个三维膜会随着四维黑洞不断吞噬而缓慢生长

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在我们的宇宙中,由于角动量粘滞效应的存在,黑洞周围会形成一个吸积盘,黑洞仅通过一个方向吸收物质。在黑洞体积尚小的时候,其总体增长速率还算相等,但随着其体积的增大,必然会有一天吸积方的扩张速率会大于其他地区。

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我们可以猜想,在四维空间中,四维黑洞附近可能也存在一个“吸积球”,并从固定方向进行吸积。随着黑洞的增大,视界膜的扩张速度开始变得不均衡。

除此之外,在现有黑洞模型中,如果把一个物体的体积半径压缩到史瓦西半径一下,这个物体就会变成一个黑洞。具体公式如下:r=2GM/c^2,G是万有引力常数,M为物体质量,c为光速。

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如果将我们已知宇宙的质量代入上述公式,得到的史瓦西半径与哈勃望远镜观测到的宇宙半径基本接近。这是否能进一步证明我们真的存在于一个黑洞之中呢?

目前科学家们正在进行进一步观测,以寻找更多证据证明他们的观点。

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