『星系团』宇宙膨胀的方式，和我们想象的不一样？美德科学家质疑宇宙基本特性
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星系团中高温气体产生的X射线（紫色） 图片来源：ESA and XMM-Newton (X射线)；CFHTLS (可见光)
宇宙大尺度上的各向同性 ， 即在各个方向上物质分布均匀、膨胀速率一致 ， 是现代宇宙学的重要基石 。不过最近 ， 这一假说遭受了一批天文学家的挑战 。借助两台强大的X射线望远镜 ， 以及一个经验性的关系式 ， 他们得出了颇具争议的结论——宇宙在不同方向上的膨胀可能是不均匀的 。不过 ， 在另一些天文学家看来 ， 这个令人兴奋的结论 ， 却存在大量值得注意的疑点与漏洞 。
挑战宇宙各向同性
当我们用天文望远镜锁定宇宙的一片区域 ， 会观察到什么景象？可能是一颗正在吞噬周围物质的黑洞；可能是伸出旋臂 ， 缓慢旋转的旋涡星系；也可能是看似空无一物的星际空间 。这些纷繁复杂的元素 ， 共同构成了这个经历了138亿年演化的宇宙 。但是 ， 当我们的视野变得更加开阔 ， 直至以数十亿光年的尺度看待这个宇宙时 ， 这时的宇宙单元依旧是如此丰富而变化多端吗？
不 。恰恰相反 ， 无论我们将目光锁定在宇宙的任何方向 ， 宇宙都是一致、没有任何变化的 。这就是现代宇宙学的重要基础——宇宙尺度上的各向同性 。
宇宙的各向同性源自一个很自然的想法：在宇宙大爆炸之后的暴胀阶段 ， 宇宙空间向各个方向快速膨胀 。在这个过程中 ， 宇宙的不均一性被消除 。而随后的持续膨胀过程 ， 在各个方向上也不应该存在任何特殊之处 。
宇宙各向同性的设想 ， 也得到了大量天文观测数据的支持 。尤其是当Arno Penzias和Robert Wilson捕捉到宇宙微波背景辐射（CMB）——宇宙大爆炸38万年时遗留下的辐射印迹时 ， 尽管在局部存在一些涨落 ， 但它在宇宙尺度上均匀的分布 ， 为宇宙各向同性的假说提供了重量证据 。
不过最近 ， 这一现代宇宙学的根基遭到了挑战 。提出质疑的是德国波恩大学与哈佛-史密森尼天体物理中心的一支联合研究团队 ， 他们借助两台X射线天文望远镜——美国航空航天局（NASA）的钱德拉X射线望远镜 ， 以及欧洲空天局（ESA）XMM牛顿望远镜的X射线观测数据 ， 提出了不同的观点 。
线性关系
这项研究关注的焦点 ， 是星系团中的X射线 。之前有研究发现 ， 星系团的X射线光度 ， 与弥漫在星系团中的高温气体的温度 ， 存在有趣的线性关系 。基于这样的经验关系 ， 天文学家得以通过这样的思路推断X射线源的距离——利用两台X射线望远镜 ， 可以测出星系团中高温气体的X射线辐射 ， 即气体的温度；而气体温度与X射线光度存在线性关系 ， 因此温度可以转化为X射线光度 ， 即X射线源的距离 。注意 ， 这里的距离是独立于宇宙膨胀速率的 。
此后 ， 研究人员可以通过另一种手段测定这些星系团的距离——只不过 ， 这种测量手段是与宇宙膨胀速率相关的 。因此 ， 当这两种手段推断出的星系团距离信息相结合 ， 就能告知我们星系团所处区域的膨胀速率 。如果我们拥有来自宇宙不同区域、数量足够多的膨胀速率信息 ， 就有机会验证宇宙各向同性的猜想 ， 或者 ， 找到宇宙各向异性的蛛丝马迹 。
研究团队利用当今两台最著名的X射线望远镜 ， 获得了共313个星系团的数据 。其中包括钱德拉X射线天文台在191天的曝光时间中 ， 观测到的237个星系团；以及XMM牛顿望远镜在35天内观测到的76个 。随后 ， 为了进一步验证其结果 ， 研究团队还结合了此前XMM牛顿望远镜和ASCA宇宙学和天体物理学高新卫星的大量数据 。这样 ， 共有近850个星系团的距离信息被用于这项分析 。
在这些星系团数据的帮助下 ， 研究人员果然有了令人欣喜的发现：正如下图所示 ， 在两片区域 ， 哈勃常数明显偏离了平均值 。其中 ， 黄色区域的宇宙膨胀速率超出了预期；紫色区域的膨胀则比平均数值更慢 。一言以蔽之 ， 宇宙的各向同性被打破了 。
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