宇宙微波背景辐射的反常现象
宇宙微波背景辐射的反常现象
在科学研究的过程中，我们常常是从普遍中塑造真理，然后又从反常中推翻真理。所以在科学中没有绝对的真理，而那些无法忽视的反常现象也极有可能会造就新的科学范式！
同样，我们对宇宙的认知也是在一次次的观测中确立的。由许多不同观测的联合分析，我们最终确立了宇宙学的标准模型。尽管标准宇宙学模型能解释绝大部分的观测事实，但其中也存在一些矛盾无法得到圆满的解释。而随着越来越多新的观测数据的分析，我们对宇宙学参数的限制精度得到不断地提升，原本存在于标准宇宙学模型中的一些不一致性在统计上变得越来越显著了。而我们都知道正是宇宙微波背景辐射（CMB）的观测使我们进一步确立了标准宇宙学模型的统治地位。但其实CMB本身也存在着一些微弱的反常现象，这里反常指的是与标准宇宙学模型预言的差异。这些反常现象大致都在2到3个标准差的置信度上，可能跟前景效应以及系统误差相关，且受宇宙学方差所限制，还不具有足够的统计显著度。由于这些反常现象溅起的水花非常小，所以相对可能不被大众所熟知。我们打算在这里具体地介绍一下CMB的反常现象。
图1. 宇宙微波背景辐射对应的温度图，图中显示了非常微小的涨落。
1.宇宙微波背景辐射
开始让我们先聊一下什么是宇宙微波背景辐射。基于我们目前对宇宙的认知，宇宙在早期的时候处在高温高密的一种状态，所有的粒子都处在热平衡当中。当宇宙逐渐冷却，光子开始从与电子的碰撞平衡中解耦出来自由传播。而光子在整个自由传播的过程中一直保持着黑体谱的形式，最后我们探测到的的温度只是被膨胀而红移了的温度。这形成了我们最终观测到的宇宙微波背景辐射的温度图。宇宙微波背景辐射几乎是均匀各向同性的，只有当我们用足够高倍数的放大镜去观察它时，我们才能看到相当微弱的涨落。这些涨落是光子与电子开始退耦并在自由飞向我们的途中所过程的一些物理效应导致的。也正是从这些涨落中我们才提取了足够多的物理信息来认识我们的宇宙。
图2. 宇宙的演化历史（Figure credit: Noah Weaverdyck）。
图3. 现今宇宙的组成成分。
2.标准宇宙学模型
既然反常是对标准宇宙学模型而言的，那么在介绍CMB的反常现象之前，我们先来了解一下标准宇宙学模型的具体含义。当我们说起标准宇宙学模型的时候，我们常常指的是满足在Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker（FLRW）度规下的爱因斯坦场方程的解。该度规是均匀各向同性的且有一个描述宇宙膨胀的尺度因子。标准模型假设宇宙起源于大爆炸并且在宇宙的极早期经历了一次暴胀阶段，暴胀将我们的宇宙拉成一个近乎平直的宇宙，并且在暴胀期间产生了能够形成我们如今观测到的结构丰富的宇宙的种子，如图2描述了宇宙演化的历史。而宇宙演化到现在，它的组成成分包含了大概百分之七十的暗能量、百分之二十五的暗物质以及百分之五的普通物质，如图3描述了现今宇宙的组成。通常我们又把标准宇宙学模型简记为ΛCDM模型。
3.CMB反常现象
有了对CMB和标准宇宙学模型的简单认知后，我们便来介绍一下CMB中存在的一些反常现象[1-3]。我们谈到的这些CMB反常现象包括半球功率的不对称[4]、四级矩和八级矩向一个方向对齐[5]、大角尺度上功率的缺失[6]、透镜或曲率反常[7]以及冷斑[8]等等。
半球功率的不对称：在WMAP第一年的数据中便首次发现计算的角功率谱在球面的不同位置不是各向同性的。尤其是在接近以南北黄级为中心点的南黄道半球和北黄道半球计算的大角尺度上（l=2~40）的功率谱差异最明显。南黄道半球的功率谱与总功率谱一致，而北黄道半球的结果要偏低。这一南北半球的差异在此后几年的WAMP数据以及后来的Planck数据中都再次得到确认。由于两个不同的观测中都发现了这一反常，所以基本排除了系统误差的影响。可能的物理起源的解释跟暴胀机制相关。而最近发现的与近邻星系相关的新前景提供了一个非宇宙学的解释[9]。
四级矩和八级矩向一个方向对齐：在标准宇宙学模型下CMB温度各向异性具有随机相，对应到谐振空间意味着多极矩的形状和取向是相互独立的。然而在WAMP的第一年数据中就发现四极矩和八级矩却是向同一个方向对齐的，这意味着两者不是独立的，而是存在一定的关联性。这就打破了我们对宇宙的统计均匀各向同性的假设。这一对齐现象也在Planck数据中得到进一步确认。目前还没有发现可能的系统误差或者前景来解释这一对齐现象。
大角尺度上功率的缺失：最初，从COBE的观测数据中已经发现了四极矩幅值较小的现象。接着，从WAMP第一年数据中得到了进一步确认，但是宇宙学方差允许一个较小的四极矩幅值。同时从WAMP中还发现大于60度角尺度上的关联函数几乎趋近于零。这一现象也在后续几年的WAMP以及Planck观测中得到进一步确认。除此以外，CMB大角尺度模式较低的方差以及宇称的不对称也和大角尺度上的功率缺失相关。对此反常现象的解释也同样可以追溯到暴胀的阶段。
冷斑：在CMB温度天图中一块温度异常低的区域即对应着冷斑，在WMAP第一年的数据中就已经发现这块区域。后来也依然有在Planck数据中发现。目前也给出了关于冷斑自然出现的解释，包括晚期大尺度结构的演化、Sunyaev-Zeldovich效应等。一个较合理的解释是与积分的萨克斯-沃尔夫现象有关，由沿着CMB光子路径上的一个较大的低密区域产生。但在标准宇宙学模型下，在CMB冷斑的视场内存在一个特别大的空洞能满意地解释这种异常的一些确凿证据仍然令人怀疑[10]。
透镜或曲率反常：相对于标准宇宙学模型预言的结果而言，最新的Planck2018的数据偏向于更大的透镜幅值。更大的透镜幅值也意味着更多的冷暗物质的占比，这进而影响了曲率项的占比，因此透镜反常也可以表述为对封闭宇宙的偏向，即曲率反常。目前的数据显示这一反常的统计显著度在3个标准差的水平上。这一反常同样可能只是由未探测到的系统误差引起，或者意味着新物理，又或者只是统计意外。
对这些CMB反常现象，总结起来有几个被普遍接受的解释：一是这些反常可能来自于前景效应以及数据本身的系统误差，但是在不同的CMB观测中，像Planck和WAMP都发现了这些反常现象，而这些不同的观测都有着不同的天空扫描策略以及不同的频段的依赖，所以这一解释也面临挑战；二是这些反常现象来自某些宇宙学起源，像满足一些特殊条件的慢滚暴胀模型可以解释大角度上功率谱的缺失，又像在原初曲率扰动的功率谱中引入产生调制信号的场可以用来解释半球功率谱的不对称以及四级矩和八级矩的对齐效应，这些宇宙学起源都暗示了超越标准宇宙学模型的新物理；另外一种解释就是这些反常现象仅仅是由于统计意外导致的，并不对应任何物理效应。
尽管诸如某些前景辐射、仪器的误差等等也有可能导致反常现象，但目前的大多数研究认为上述的反常确实来自宇宙微波背景本身。随着未来众多的巡天项目实施，我们必然会得到对宇宙学模型更精确的限制。随着对宇宙学参数限制精度的提升，原本就存在于标准宇宙学之中的那些显著度比较高的不一致性也可能将会变得更大，而本身统计显著性偏低的不一致性也有可能会进一步凸显出来，也许标准宇宙学模型的大厦即将变得岌岌可危！但这对科学研究而言不是一件糟糕的事，反而是一件听起来相当振奋人心的事！
参考文献：
[1] Planck collaboration, Planck 2013 results. XXIII. Isotropy and statistics of the CMB, Astron. Astrophys. 571 (2014) A23 [arXiv:1303.5083].
[2] Planck collaboration, Planck 2015 results. XVI. Isotropy and statistics of the CMB, Astron. Astrophys. 594 (2016) A16 [arXiv:1506.07135].
[3] Planck collaboration, Planck 2018 results. VII. Isotropy and Statistics of the CMB, Astron. Astrophys. 641 (2020) A7 [arXiv:1906.02552].
[4] C. Gimeno-Amo, R.B. Barreiro, E. Martínez-González and A. Marcos-Caballero, Hemispherical power asymmetry in intensity and polarization for Planck PR4 data, JCAP 12 (2023) 029 [arXiv:2306.14880].
[5] A. de Oliveira-Costa, M. Tegmark, M. Zaldarriaga and A. Hamilton, The significance of the largest scale CMB fluctuations in WMAP, Phys. Rev. D 69 (2004) 063516 [astro-ph/0307282].
[6]M. Billi et al., The anomaly of the CMB power with the latest Planck data, JCAP 07 (2024) 080 [arXiv:2312.09989].
[7]E. Di Valentino, A. Melchiorri and J. Silk, Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology, Nature Astron. 4 (2019) 2, 196[arXiv:1911.02087].
[8]P. Vielva, A Comprehensive overview of the Cold Spot, Adv. Astron. 2010 (2010) 592094 [arXiv:1008.3051].
[9]F.K. Hansen, E.F. Boero, H.E. Luparello and D.G. Lambas, A possible common explanation for several cosmic microwave background (CMB) anomalies: A strong impact of nearby galaxies on observed large-scale CMB fluctuations, Astron. Astrophys. 675 (2023) L7 [arXiv:2305.00268].
[10] S. Owusu, P. da Silveira Ferreira, A. Notari and M. Quartin, The CMB cold spot under the lens: ruling out a supervoid interpretation, JCAP 06 (2023) 040 [arXiv:2211.16139].
本文原文来自腾讯新闻