詹姆斯·韦伯望远镜将宇宙学带到了一个转折点。它很快就会揭示新的物理学吗？

目前，宇宙学似乎正处于一个转折点。詹姆斯·韦伯望远镜能否通过揭示新物理学来解决这个问题？

当您通过我们网站上的链接购买时，我们可能会赚取联属佣金。这是它的工作原理。

在过去的几年里，一系列的争议震动了成熟的宇宙学领域。简而言之，宇宙标准模型的预测似乎与最近的一些观察结果不一致。

关于这些观测结果是否有偏见，或者预测整个宇宙结构和演化的宇宙学模型是否需要重新思考，存在着激烈的争论。有些人甚至声称宇宙学正处于危机。目前，我们不知道哪一方会获胜。但令人兴奋的是，我们即将找到答案。

平心而论，争议只是科学方法的正常过程。多年来，标准宇宙学模型已经占有一席之地。该模型表明，宇宙由 68.3% 的“暗能量”（一种导致宇宙加速膨胀的未知物质）、26.8% 的暗物质（一种未知形式）组成。物质）和 4.9% 的普通原子，是从宇宙微波背景（大爆炸辐射的余辉）中非常精确地测量的。

它非常成功地解释了宇宙大尺度和小尺度的大量数据。例如，它可以解释我们周围星系的分布以及宇宙最初几分钟内产生的氦和氘的数量等问题。也许最重要的是，它还可以完美解释宇宙微波背景。

这使其获得了“索引模型”的美誉。但不一致测量的完美风暴——或者宇宙学中所谓的“张力”——现在正在质疑这个长期存在的模型的有效性。

相关：詹姆斯·韦伯太空望远镜真的“打破”了宇宙学吗？

不舒服的紧张气氛

标准模型对暗能量和暗物质的性质做出了特定的假设。但尽管经过数十年的密切观察，我们似乎仍然距离弄清楚暗物质和暗能量的构成还没有更进一步。

试金石就是所谓的哈勃张力。这与哈勃常数有关，即当前宇宙的膨胀率。当在我们附近的本地宇宙中测量时，从附近星系（称为造父变星）中的脉动恒星的距离，其值为 73 公里/秒/兆秒差距（Mpc 是星系际空间距离的测量单位）。然而，理论上预测，该值为 67.4 km/s/Mpc。差异可能不大（仅8%），但具有统计显着性。

哈勃张力大约十年前就为人所知。当时，人们认为观察结果可能存在偏见。例如，造父变星虽然非常明亮且容易看到，但它们与其他恒星挤在一起，这可能会使它们显得更加明亮。与模型预测相比，这可能会使哈勃常数高出几个百分点，从而人为地产生张力。

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的出现，它可以将恒星单独分开，我们希望能够找到解决这种紧张局势的答案。

令人沮丧的是，这还没有发生。天文学家现在使用除了造父变星之外的另外两种类型的恒星（称为红巨星分支恒星（TRGB）和J区渐近巨分支恒星（JAGB））。但是，虽然一个小组报告的 JAGB 和 TRGB 恒星的值非常接近来自宇宙学模型的预期值，但另一组声称他们仍然发现不一致在他们的观察中。与此同时，造父变星的测量继续显示出哈勃张力。

值得注意的是，尽管这些测量非常精确，但它们仍然可能因与每种测量类型相关的一些独特影响而产生偏差。这将对每种类型的恒星以不同的方式影响观测的准确性。精确但不准确的测量就像试图与一个总是没有抓住要点的人交谈一样。为了解决相互冲突的数据之间的分歧，我们需要精确且准确的测量。

好消息是，哈勃紧张局势现在正在迅速发展。也许我们会在未来一年左右的时间里得到答案。提高数据的准确性，例如通过包含来自更遥远星系的恒星，将有助于解决这个问题。同样，对时空波纹（称为引力波）的测量也将能够帮助我们确定常数。

这也许都证明了标准模型的正确性。或者它可能暗示其中缺少一些东西。也许暗物质的本质或引力在特定尺度上的表现方式与我们现在所认为的不同。但在对这款模型打折之前，人们必须惊叹于其无与伦比的精度。在推断超过 130 亿年的进化过程时，它最多只偏离目标几个百分点。

从长远来看，即使是太阳系中行星的发条运动也只能在不到10亿年的时间内被可靠计算，之后它们就变得不可预测。标准宇宙学模型是一台非凡的机器。

哈勃张力并不是宇宙学的唯一麻烦。另一种被称为“S8 张力”的问题也造成了麻烦，尽管规模不同。这里的模型存在平滑度问题，因为它预测宇宙中的物质聚集程度应该比我们实际观察到的高出大约 10%。有多种方法可以测量物质的“块度”，例如通过分析来自星系的光的扭曲，这些扭曲是由假设的暗物质沿着视线介入而产生的。

目前，学术界似乎达成了共识，即在排除宇宙学模型之前，必须先排除观测中的不确定性。缓解这种紧张局势的一种可能方法是更好地了解星系中气态风的作用，气态风可以推出一些物质，使其更加平滑。

了解小尺度上的团块测量与大尺度上的团块测量之间的关系将会有所帮助。观察结果也可能表明有必要改变我们对暗物质的建模方式。例如，如果暗物质不是像标准模型假设的那样完全由冷的、缓慢移动的粒子组成，而是可以与一些热的、快速移动的粒子混合在一起。这可能会减缓宇宙晚期团块的增长，从而缓解 S8 的紧张局势。

JWST 强调了标准模型面临的其他挑战。其中之一是早期星系似乎比预期的要大得多。有些星系的重量可能与今天的银河系一样重，尽管它们是在大爆炸后不到10亿年形成的，这表明它们的质量应该更小。

然而，在这种情况下，对宇宙学模型的影响不太清楚，因为这些令人惊讶的结果可能还有其他可能的解释。解决这个问题的关键是改进对星系中恒星质量的测量。我们不是直接测量它们（这是不可能的），而是从星系发出的光中推断出这些质量。

此步骤涉及一些简化的假设，这可能会导致质量的高估。最近，也有人认为这些星系中恒星发出的一些光是由强大的黑洞产生的。这意味着这些星系可能根本没有那么大。

另类理论

那么，我们现在处于什么位置？虽然一些紧张局势可能很快就会通过更多更好的观测来解释，但目前尚不清楚是否会解决所有冲击宇宙学模型的挑战。

不过，关于如何修复模型的理论想法并不缺乏——也许太多了，有几百种，而且还在增加。对于任何希望探索所有这些问题的理论家来说，这都是一项令人困惑的任务。

可能性有很多。也许我们需要改变对暗能量本质的假设。也许这是一个随时间变化的参数，最近的一些测量结果表明了这一点。或者，也许我们需要在模型中添加更多的暗能量，以促进早期宇宙的膨胀，或者相反，在晚期。修改引力在宇宙大尺度上的表现（与修正牛顿动力学或MOND模型中所做的不同）也可能是一种选择。

然而，到目前为止，这些替代方案都无法解释标准模型可以解释的大量观察结果。更令人担忧的是，其中一些可能有助于缓解一种紧张局势，但会加剧其他紧张局势。

现在，各种甚至挑战宇宙学最基本原则的想法都敞开了。例如，我们可能需要放弃宇宙在非常大的尺度上“均匀且各向同性”的假设，这意味着对于所有观察者来说，它在所有方向上看起来都是相同的，并且表明宇宙中没有特殊点宇宙。其他人提出修改广义相对论。

有些人甚至想象出一个诡计多端的宇宙，它与我们一起参与观察活动，或者根据我们是否观察它而改变它的外观——我们知道发生在原子的量子世界中的事情，颗粒。

随着时间的推移，其中许多想法可能会被归入理论家的好奇柜中。但与此同时，它们为测试“新物理学”提供了肥沃的土壤。

这是一件好事。毫无疑问，这些紧张局势的答案将来自更多数据。在接下来的几年中，JWST、暗能量光谱仪 (DESI)、Vera Rubin 天文台和Euclid 等将帮助我们找到长期寻找的答案。

临界点

一方面，更准确的数据和对测量中系统不确定性的更好理解可以让我们回到标准模型的令人放心的舒适度。摆脱过去的麻烦，这个模型不仅会得到证实，而且会得到加强，宇宙学将成为一门既精确又准确的科学。

但如果平衡向另一个方向倾斜，我们将被带入未知领域，在那里必须发现新的物理学。这可能会导致宇宙学发生重大范式转变，类似于 20 世纪 90 年代末发现宇宙加速膨胀。但在这条道路上，我们可能必须一劳永逸地考虑暗能量和暗物质的本质，这是宇宙中两个未解之谜。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。