为什么宇宙微波背景中的一个巨大“冷点”长期困扰着天文学家

拓牛李强

为什么宇宙微波背景中的一个巨大“冷点”长期困扰着天文学家（图片来源：美国国家航空航天局）

据美国太空网（保罗·萨特）：来自年轻宇宙的剩余光有一个主要缺陷，我们不知道如何修复它。那就是冷点。它太大太冷了。天文学家不确定它是什么，但他们大多认为它值得研究。

宇宙微波背景（CMB）是在我们的宇宙只有38万年的时候产生的。当时，我们的宇宙比今天小大约一百万倍，温度超过10000开氏度（17500华氏度，或9700摄氏度），这意味着所有的气体都是等离子体。随着宇宙的膨胀，它冷却了，等离子体变成了中性。在这个过程中，它释放出一股炽热的白光。自那以后的数十亿年里，这种光已经冷却并拉伸到大约3开尔文（零下454华氏度，或零下270摄氏度）的温度，使这种辐射牢牢地处于电磁光谱的微波波段。

CMB几乎是完全均匀的，但温度差异很小，约为百万分之一，而这些看起来像各种形状和大小的斑点的缺陷是它最吸引人的部分。我们无法准确预测波动会是什么，哪些确切的斑点会是冷的，哪些斑点会是热的。这是因为我们看到的光来自宇宙的一部分，现在它被拉离了可观察的视野。

这意味着我们必须依靠统计数据来了解CMB。我们不能说哪里会出现什么斑点；我们只能用物理学来了解斑点的平均大小，以及它们的平均温度。

寒冷的地方

招商银行的一切都很好。我们了解斑点的来源，几十年来，我们建造了越来越精细的望远镜和卫星，以获得更好的外观。事实上，CMB的探测和测量是科学界最大的成功案例之一。

然后是冷点。

现在招商银行有很多冷点。但有一个——冷点——很突出。它甚至在视觉上脱颖而出。如果你看一张CMB的地图——整个天空被压缩成一个奇怪的、模糊的椭圆形——它是向下的，稍微向右。在天空中，它朝着波江座的方向。

寒冷的地方冷得出奇。根据你如何定义冷斑的边缘，它比平均温度低约70微开，而普通冷斑的平均温度仅比平均温度高18微开。在它的最深处，它比平均温度低140毫开尔文。

它也很大——大约5度宽，听起来不算多，但大约有10个满月并排排列。CMB上的平均点不到1度。所以它不仅冷得出奇，而且大得出奇。

这就是事情变得棘手的地方。很容易看到冷点。天文学家在21世纪初首次用美国国家航空航天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这个冷点的存在。所以这不仅仅是仪器的侥幸、测量误差或某种奇怪的外来干扰——这是真实的。

这引出了另一个问题：我们在乎吗？

我们不能确定CMB上的斑点会出现在哪里；我们只得到统计信息。关于这一点，人们有很多争论，但普遍的共识是，是的，我们不应该因为偶然的机会而合理地期望冷点如此之大如此之冷，基于我们对早期宇宙物理的理解，这太离谱了。

是的，随机的大而冷的斑点应该偶尔出现，但我们在纯粹的随机机会中只看到一个的机会不到1%（可能会低得多，这取决于你问谁）。所以，尽管我们可以说我们非常不走运，得了感冒，但这已经足够罕见了，需要更多的关注。

所以这不是一个测量误差，也可能不是随机的机会。那是什么？



天空地图显示了宇宙微波背景（CMB），这是早期宇宙时期的残余，当时这种丢失的暗物质可能已经存在。（图片来源：?欧空局和普朗克合作组织）

热议

对冷点奇怪性质的有利解释是，这是由于我们和CMB之间有一个巨大的宇宙空隙。宇宙空洞是几乎什么都没有的大块。但是，尽管它们是虚无的，但它们确实会影响CMB的光，这是因为空洞正在进化。

当来自CMB的光首次进入空隙时，当它从高密度环境过渡到低密度环境时，会获得一点能量。在一个完全静止的宇宙中，当光从另一边射出时，它会损失等量的能量。但由于空隙在变化，当光第一次进入时，空隙可能相对较小且较浅，当它离开时，空隙较大且较深。

这导致穿过空隙的CMB光的整体能量损失，这一过程被称为综合Sachs-Wolfe效应。

因此，一个巨大的空洞可能会解释冷点，但有一个问题：我们不确定在那个方向上是否真的有巨大的空洞。我们在天空的这一部分有地图和星系调查，但在某些方面都是不完整的；它们要么没有捕捉到每个星系，要么没有覆盖整个所谓的空隙。因此，这在文献中也有着重要的反复，一些团体声称自己发现了一个超级虚空，而另一些团体则表示那里没有什么特别之处。

此外，即使在那个方向上有一个超级空洞，也不清楚它是否会产生足够强的效果来产生我们所看到的冷点。

这种模糊性为一些开箱即用的建议留下了空间，比如认为冷点是我们的宇宙和相邻宇宙之间的残余交点。但即使是这一假设也无法解释冷斑的所有特性。

冷点会使宇宙大爆炸失效吗？绝对不是。它值得研究吗？几乎可以肯定。我们会最终弄清楚它是什么吗？也许不是。

科学就是这样。它从来都不是完美的，有些理论总是有一些小刺。有时，这些刺会开花，揭示出新的TK种类，有时，随着科学家慢慢地研究，这些刺就会枯萎，有时，它们只是坐在那里，从未完全解决，从未完全回答，但从未上升到需要更多关注的程度。

无论哪种方式我都可以。为什么？因为在这个宇宙中没有什么是完美的，甚至我们对它的描述也是如此。