本应无序却有序,现有宇宙理论框架再遇挑战

科学
本应无序却有序,现有宇宙理论框架再遇挑战
麻省理工科技评论 2018年2月4日

2018年2月4日

“宇宙一直以来都在给我们惊喜,我们也一直认为我们是宇宙中的一种特殊的存在。”
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“宇宙一直以来都在给我们惊喜,我们也一直认为我们是宇宙中的一种特殊的存在。”

科学家们曾认为,银河系和Andromeda星系(Andromeda galaxies)拥有十分独特的特征,因为它们中一环一环的小型矮星系(dwarf galaxies)的轨道似乎是同步的。 但最近的一项研究发现,另一个星系中也存在着这种现象。打个比方的话,这看上去就像是一堆小矮人在围着篝火有序地跳舞一样,而现有的理论却并不能解释它们。

一个由四人组成的国际研究小组注意到了Centaurus A星系(elliptical Centaurus A galaxy,距银河系三千万光年)中的这一现象。 根据现有的星系形成理论,矮星系绕星系中心的运动轨道应该是随机的,所以,在宇宙中发现第三个像银河系和Andromeda星系这样矮星系间具有同步轨道的星系是不太可能的。但事实就是如此,这意味着现有的理论存在缺陷。该研究已发表在《Science》上。

该研究论文作者,瑞士Basel大学(University of Basel)的Oliver Müller说:“存在一个这样星系是完全正常的, 但两三个都是就不太对了。理论上本应无序的事物却在以一种有序的方式存在着,这很奇怪。”在大爆炸的理论框架下,物理学家们用“lambda-CDM”模型来解释大爆炸后的宇宙活动。该模型可以说是我们当前对于宇宙认识的总结:宇宙诞生于一次爆炸,宇宙中存在着很多的星系,星系间存在着空无一物的空间,宇宙中存在着暗物质和暗能量,宇宙还在加速扩张……根据该模型的预测,在星系的形成过程中,矮星系在出现后围绕其宿主星系移动的轨道应该是随机的。

银河系和Andromeda星系中的矮星系都不能被该模型所解释,它们绕着母星系旋转,就像是土星的环。有人曾认为,或许只有这两个“本地系”是异常的,大部分星系还是能被模型所解释 。

而在最近的这项研究中,研究人员利用由澳大利亚帕克斯望远镜(Parkes Telescope)所收集的数据,研究了距离我们较远的非“本地系”的Centaurus A galaxy,由于该星系中的矮星系盘在方向上正冲着我们,所以研究人员能够利用多普勒效应来观察由该星系中14个矮星系所发出的光线,这些矮星系的分布在Centaurus A的一侧铺开,在另一侧变窄。 换句话说,这些矮星系看起来就像是正在一边离开我们,一边又朝着我们运动,就像一个旋转着的大盘。 

一千个星系中可能会有一个星系存在这种有序的矮星系盘,但除非现有的星系形成理论有误,否则同时有三个星系存在这种特征的可能性很低。Oliver Müller说:“这就是我们在太空中看到的许多未知的引力运动之一,但我认为这些未知的引力运动对于现有的标准理论来说是一种挑战 。”

虽然该研究只观测了Centaurus A中的十六个矮星,并发现其中的十四个同步移动,但Centaurus A中还有另外44个矮星系没有被观测,所以这次的结果可能的确是一个巧合,即这些矮星系确实是在随机移动,而不是像它们看起来那样在一个磁盘阵列中绕圈。Oliver Müller认为,他的团队在未来需要对矮星系和其他星系周围的速度进行更多的测量,以支持论文的观点。

目前,有许多科学家都认同该研究的观点,但挪威奥斯陆大学理论天体物理研究所(Institute of Theoretical Astrophysics at the University of Oslo)的Bridget Falck对此的态度则十分谨慎。她说:“虽然这篇文章加强了有关Centaurus A周围的存在同轴旋转平面的证据,但这离要证明这些旋转平面不能被Lamba CDM所解释还差得很远。Centaurus A星系的周围环境类似于“本地系”的周围环境(相对孤立),而大多数星系与周围的联系都“相对紧密”,这也可能是这种有序矮星系现象存在的原因之一。

莱布尼兹波茨坦天体物理研究所(Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam)的Noam Libeskind认为,目前的观测都仅限于我们附近的星系,而即将启用的望远镜,如强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope),可以对距离我们更远的星系收集更多的数据。他说:“如果未来我们发现这种现象确实是一种“地方性”的特征,那我们就会陷入困境。 但无论是以哪种方式,对这些现象的研究都必定会加深我们对星系形成和宇宙演化过程的理解。”

凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的天文学家Stacy McGaugh 指出,lambda-CDM 模型目前已经存在问题,并且认为有三个这种具有矮星系同步运动特征星系对该模型来说确实是一种挑战。 Lambda-CDM 中的数学通常是可行的(除了事实上还没有人发现暗物质),所以天文学家门经常把它看成是一个“成功”的理论,并将一些类似这种现象的微小“异常”归类为“让我们以后再说”的情况。Stacy McGaugh 说:“目前我们有有一大堆这样与理论矛盾的微小‘异常’。暗物质和黑暗能量已经在理论中存在很久了,但如果最终没有人发现暗物质的证据,那我们目前的整个理论框架就会像多米诺骨牌那样倒塌 。”

或许Oliver Müller和他的团队仅仅是发现了另外一个微小的“异常”,也或者是孤立的星系拥有与大多数星系不同的特征,也或许是他们真发现了目前普遍接受的宇宙论理论所面临的又一个问题。Oliver Müller 说:“宇宙一直以来都在给我们惊喜,我们也一直认为我们是宇宙中的一种特殊的存在,但‘本地系’在宇宙中却并不是什么特别的存在。”

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