闭合宇宙的新观测证据与宇宙学的危机

来源：中科院高能所

本文由东北大学祁景钊、张鑫撰写，介绍发表于Nature Astronomy的近期成果：一个由普朗克CMB观测得到的闭合宇宙新证据。该结果进一步恶化了宇宙学观测的不一致性，已引起广泛关注和讨论。

宇宙学研究已经进入到精确宇宙学时代。普朗克卫星以前所未有的精度精确测量了宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background，CMB)上的微小温度涨落和极化，这些测量结果为宇宙学参数提供了强有力的限制[1]。总体来说，普朗克观测结果明确支持一个仅含有6个基本宇宙学参数的宇宙学模型，即所谓的宇宙学常数冷暗物质(? cold dark matter，?CDM) 模型。目前，空间平直的?CDM模型被普遍视为一个宇宙学的标准模型，因为该模型的预言与几乎所有的宇宙学观测都符合得很好。

但近年来宇宙学也遭遇到非常严峻的挑战。最主要的挑战就来自于早期宇宙的观测与晚期宇宙的观测之间出现了较为明显的不一致性，比如关于哈勃常数和物质密度涨落幅度测量的著名的不一致性[2,3]。目前，哈勃常数测量的不一致性已经被视为当前宇宙学的一个危机[4~9]。

利用普朗克卫星对CMB温度功率谱的测量可以精确地限制?CDM模型的参数，由此可以得到一个哈勃常数的测量值，精度约为千分之七，但这种测量哈勃常数的方法是一种模型依赖的方法。

利用距离阶梯测量近邻宇宙的距离并结合哈勃定律来测量哈勃常数的方法是一种不依赖于模型的测量方法，目前可得到精度约为2%的哈勃常数测量值。

但问题是，这两种测量方法得到的哈勃常数值明显不一致，前者的高红移测量得到一个偏小的哈勃常数，而后者的低红移测量得到一个偏大的值，二者之间的不一致性目前已高达4.4个标准偏差[10]。

2019年11月4日，Nature Astronomy在线发表了题为“Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology”的文章[11]，其作者为英国曼彻斯特大学的Eleonora Di Valentino、意大利萨皮恩扎大学的Alessandro Melchiorri以及英国牛津大学的Joseph Silk，他们报道了利用普朗克CMB观测得到一个闭合宇宙的新证据。这一结果进一步恶化了宇宙学观测的不一致性，已引起广泛关注和进一步讨论。

宇宙微波背景辐射的光子需要横穿几乎整个可观测宇宙才能到达我们这里。它们在飞行途中会遇到很多结团物质，这些物质的引力势会使得CMB光子的路径发生偏折，这就是CMB的引力透镜。

通过CMB四点函数可以测量CMB透镜势的功率谱，精度约为2.6%。然而，?CDM模型通过普朗克温度功率谱限制而预言的CMB透镜功率谱却与普朗克卫星测量的透镜功率谱出现了一定程度的不一致性。理论上，?CDM模型预言其透镜自洽性参数AL=1，但是普朗克温度功率谱却在大约3个标准偏差的置信度上给出AL>1的结果，该结果预言了一个偏大的CMB透镜幅度，与普朗克四点函数透镜测量明显不一致[1]。

这个问题为普朗克观测带来一些困扰。扩展宇宙学模型可以在一定程度上缓解这个问题，因为AL与一些扩展的宇宙学参数(比如空间曲率、暗能量参数以及中微子质量等)之间存在简并[1]。

Di Valentino等人[11]利用普朗克温度和极化功率谱限制带有空间曲率的?CDM模型，在3.4个标准偏差置信度上得到了一个闭合的宇宙。由于曲率参数Ωk与透镜自洽性参数AL正相关，在一个闭合宇宙(Ωk<0)中可以较为自然地得到与AL=1相一致的结果，为解决CMB透镜的AL问题提供了一个方案。

必须指出，这一结果在此文章之前就是一个已知的结果，在文献[1]中已经有相应论述。Di Valentino等人[11]的主要工作在于对此结果的一些其他观测后果进行了一系列测试。他们的测试结果表明，基于一个闭合宇宙的?CDM模型，普朗克CMB功率谱测量与其他的低红移观测之间的不一致性更加严重了。比如，与哈勃常数距离阶梯测量之间的不一致性增大了约48%，与宇宙剪切测量之间的不一致性由原来的约2.3个标准偏差增大到高于3.5个标准偏差。

这项研究试图告诉我们，一个空间平直的宇宙学模型低估了目前宇宙学观测的不一致性; 如果相信闭合宇宙的拟合结果(仅用普朗克CMB功率谱)，那么宇宙学的危机会更加严重。

对宇宙微波背景辐射各向异性的测量已达到前所未有的精度，为一些宇宙学参数提供了非常精确的限制(比如，声学角尺度的限制精度已达万分之三)，使我们进入精确宇宙学的时代。但是，CMB的观测是对早期宇宙的观测，很难精确限制晚期的物理，比如暗能量的参数。对于扩展的宇宙学模型，CMB限制通常会产生较强的参数简并，一般需要用晚期的(低红移)观测来打破参数简并。因此，进一步发展CMB之外的精确宇宙学探针是非常必要的。早期宇宙和晚期宇宙观测的一些不一致性也促使我们发展独立于光学观测的新的宇宙学探针。

引力波的观测打开了人类观测宇宙的新窗口[12~16]。引力波携带了光度距离的信息，因此可以为宇宙学观测提供“标准汽笛”。双中子星并合的引力波-电磁波多信使观测可以独立测量哈勃常数，未来可以对哈勃常数不一致性进行有效裁决(目前只有GW170817一个观测事件，对哈勃常数的测量精度只有约15%)[17,18]。

未来的引力波“标准汽笛”观测可以极其有效地打破当前观测形成的参数简并，在宇宙学参数测量方面将发挥重要作用[19~21]。此外，中性氢21 cm巡天观测的发展也将极大地促进宇宙学的发展[22~26]。总之，随着新的观测手段的发展，目前宇宙学遇到的危机终将会被解决，而结合不同的观测手段(光学、红外、射电、引力波)在未来将可以精确测量各种宇宙学参数，为宇宙学基本问题提供真正的解答。

参考文献

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