最新研究发现:宇宙,可能不是无边无际的

日期:2019-11-08    见丰网

最新研究发现:宇宙,可能不是无边无际的

当这个神秘数字从5.7变成6,我们对宇宙形状的猜想也就改变了……对于宇宙的形状,物理学家曾经有着诸多想象。现在,一项最新研究通过对普朗克卫星的数据分析指出,宇宙可能是一个封闭的三维球面。

宇宙空间形状示意图 (图片来源:quantamagazine)

这推翻了近年来的一个主流观点,即宇宙是无边无际的平坦三维空间。而这个全新结论的得出,涉及到一个决定了宇宙形状的关键数字:宇宙临界密度。

宇宙空间的3种可能

宇宙的形状是什么?宇宙是否存在边界?对于宇宙的轮廓,人类曾有诸多天马行空的幻想。但在爱因斯坦将宇宙学原理应用到宇宙学研究之后,宇宙的形状就受到了严格的限制。宇宙学原理要求宇宙空间每一点的地位都是平等的,所以宇宙空间不可能有很奇怪的拓扑结构——举一个反例,宇宙不可能长成自行车内胎这样,因为内胎外侧的点与内侧的点地位显然不一样。

所以,考虑到宇宙学原理作出的限制,那么单连通的宇宙形状就只剩下3种可能性:如果宇宙空间具有正曲率,那么它是一个封闭的三维球面;如果宇宙空间的曲率是零,那么它是一个无边无际的平坦三维空间;如果宇宙空间具有负曲率,那么它同样没有边际,是一个三维的马鞍面。

所以,从这个意义上来说,宇宙空间的形状由曲率决定。而根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙空间的曲率取决于宇宙中物质场的分布。所以,只要测准了宇宙中的物质场的分布,那么就能推断出宇宙空间的形状。

现在,普朗克卫星为这个问题的解决提供了新的依据。在一项发表于《自然·天文学》的最新论文中,曼彻斯特大学的埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺 (Eleonora Di valentino)、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔奇奥(Alessandro Melchiorri )和牛津大学的约瑟夫·西尔克(Joseph Silk),根据卫星的宇宙微波背景辐射功率谱中的引力透镜幅度,推算出宇宙空间的曲率为正。也就是说,宇宙空间是一个封闭的三维球面。

临界密度是关键

那么,物理学家如何判断宇宙空间的形状呢?

对于宇宙空间来说,存在一个决定其形状的分界线,这个分界线就是宇宙的临界密度。

在理论上,我们可以定义一个临界密度。这个临界密度与哈勃常数有关,它的物理含义是宇宙中的所有物质和能量(包括暗物质和暗能量)的平均密度。在这个平均密度下,宇宙空间是平坦的。

根据哈勃常数计算得知,这个临界密度等于每立方米约5.7个质子质量。

作为对比,我们知道在太阳系内,仅仅暗物质的密度就有每立方米3万个质子质量。所以,太阳系的密度远高于宇宙临界密度。但因为宇宙中其他地方(例如星际空间

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