大型X射线巡天可以缓解围绕宇宙“块状”的危机

虾仔123

eROSITA全天巡天观测到的星系团，红点表示红移1天体，蓝点表示红移3天体。（图片来源:MPE, J. Sanders for the eROSITA consortium）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：对星系团在138亿年的宇宙历史中如何演变的一项新分析可能有助于解决围绕我们宇宙物质内容“块状性”的长期紧张关系。最终，它还可能帮助科学家解决许多其他宇宙之谜。

eROSITA宇宙X射线源全天空调查的第一批数据在2022年2月完成了4.5次全天空调查，包含了对宇宙总物质数量和物质平滑度或“同质性”的精确测量。

这些发现可能有助于解决宇宙学标准模型的理论预测与宇宙大爆炸后诞生的宇宙化石（称为宇宙微波背景（CMB））观测之间的差异。目前，两人在宇宙物质的起伏程度上存在分歧。

这种差异被称为S8张力，S8是科学家用来量化大约2600万光年范围内物质波动幅度的参数。换句话说，宇宙在大尺度上的整体性。

虽然S8张力对宇宙学来说可能不像“哈勃张力”那样是一个突出的问题，哈勃张力描述了科学家在宇宙膨胀率计算中看到的差异，但它仍然代表着一场酝酿中的风暴。甚至有人提出，我们可能需要找到全新的物理学来解决这个难题。然而，eROSITA的新数据带来了希望，即S8的紧张局势可以在没有如此激烈措施的情况下得到缓解。

“eROSITA现在已经建立了星团演化测量作为精密宇宙学的工具，”eROSITA星团和宇宙学团队的首席科学家Esra Bulbul在一份声明中说。“我们从星系团中测量的宇宙学参数与最先进的CMB一致，表明从大爆炸后不久到今天，相同的宇宙学模型仍然成立。”

与eROSITA一起解决酝酿中的宇宙危机

宇宙学的标准模型，或“λ冷暗物质（CDM）模型”表明，宇宙在大爆炸后立即是一个炎热而密集的光子或光粒子以及自由电子和质子的海洋。

人们认为这些电子此时会无休止地散射光子，这意味着宇宙本质上是不透明的。直到大约40万年后，当宇宙膨胀和冷却到足以允许电子和质子足够接近以结合并产生第一个氢原子时。

在这个再电离时代，光子突然被允许传播，宇宙变得对光透明。这“第一道光”现在几乎完全均匀地充满了宇宙，被称为CMB，或“最后散射的表面”。因为这种光在第一批恒星和星系出现之前就已经存在了，所以CMB是追踪宇宙演化的绝佳工具。

随着宇宙时间的推移，第一批原子聚集形成了第一批气体云，然后第一批恒星聚集成星系，这些星系又聚集成第一批星系团，最终形成了已知宇宙中一些最大的结构。

俄罗斯-德国光谱-伦琴-伽马射线（SRG）航天器上的主要仪器eROSITA对这些星团的观测表明，可见物质和暗物质占宇宙总能量密度的29%，这与CMB的测量结果一致。



两个版本的eROSITA全天巡天目录（eRASS1）数据（右）地球上空的X射线（右）X射线源。（图片来源:MPE，j . Sanders für das eROSITA-Konsortium）

在观测星系团时，eROSITA还能够使用S8参数测量物质的质量。虽然先前的CMB实验表明S8的值高于标准模型预测的值，但对这颗宇宙化石的eROSITA观测更符合这些理论预测。

研究负责人、马克斯·普朗克地外物理研究所博士后研究员维托里奥·吉拉尔迪尼在声明中说:“eROSITA告诉我们，在整个宇宙历史中，宇宙的行为都符合预期。”“宇宙微波背景下没有紧张——也许宇宙学家现在可以放松一点了。”

宇宙幽灵狩猎

eROSITA对星系团的观测还帮助科学家们更多地了解了被称为中微子的微小粒子，这种粒子的质量和电荷都很小，基本上在雷达下传播。事实上，它们每秒钟有100万亿个穿过我们的身体，而没有被注意到。这不仅使中微子难以被探测到，还为它们赢得了“幽灵粒子”的绰号。

这些粒子微小的质量也使它们能够以接近光速的速度在宇宙中穿行，天文学家将它们描述为“热的”，因为这一事实。温度本质上是粒子运动速度的量度。这意味着中微子可以消除宇宙中物质的分布，这种作用可以通过研究我们已知的最大宇宙结构的演化来测量。

因此，将星系团的eROSITA测量与CMB的观测相结合，提供了迄今为止用宇宙学探测器获得的最精确的中微子总质量测量值。

Ghirardini说:“这听起来可能有点矛盾，但我们已经从宇宙中最大暗物质晕的丰富程度中获得了对已知最轻粒子质量的严格限制。”“当与地基中微子实验相结合时，我们甚至处于测量中微子总质量的突破边缘。”

eROSITA对宇宙的见解并没有就此结束；来自该仪器的数据也应该能够揭示宇宙中最大结构的增长率，这是爱因斯坦1915年的引力理论:广义相对论所预测的。

对eROSITA观测到的12，247个光学识别的星系团的早期分析似乎表明，在宇宙后期，这一增长率略低于广义相对论的预测。

马克斯·普朗克地外物理研究所的博士后研究员伊曼纽尔·阿蒂斯在声明中说:“我们可能处于新发现的边缘。”“如果能得到证实，eROSITA将为超越广义相对论的新的令人兴奋的理论铺平道路。”