宇宙学中的标准模型自20世纪中期以来一直在发展，在天文学家中非常受欢迎。他们喜欢它，因为它解释了我们所看到的很多东西。但标准模型一直无法解释一些什么天文科学家们在我们的宇宙中观察到，包括星系的膨胀，物质的平滑与“块状”，大质量的早期星系等等。新的观测结果会出现吗?确定或混淆标准模型?我们会得到标准模型的验证吗?还是会有一个临界点我们发现我们需要新的物理学吗?
作者:andrea Font，利物浦约翰摩尔斯大学
宇宙学成为了准星
在过去的几年里，一系列的争议动摇了已经建立的宇宙学领域。简而言之，宇宙标准模型的预测似乎与最近的一些观测结果不一致。
关于这些观测是否有偏差，或者预测整个宇宙结构和进化的宇宙学模型是否需要重新思考，存在着激烈的争论。一些人甚至声称宇宙学正处于危机之中。现在，我们还不知道哪一方会赢。但令人兴奋的是，我们即将找到答案。
公平地说，争论是科学方法的正常过程。多年来，标准的宇宙学模型也有它的一部分。这个模型表明宇宙由68.3%的暗能量组成。暗能量是一种导致宇宙加速膨胀的未知物质。此外，该模型还指出，26.8%的宇宙是暗物质(一种未知的物质形式)，4.9%是普通原子。科学家们通过宇宙微波背景或宇宙大爆炸辐射的余辉精确地测量了这一点。
它非常成功地解释了宇宙大小尺度上的大量数据。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产生的氦和氘的数量。也许最重要的是，它还可以完美地解释宇宙微波背景。
这使得它获得了“和谐模式”的美誉。但是一场不一致测量的完美风暴——或者在宇宙学中被称为“张力”——现在正在质疑这个长期存在的模型的有效性。
宇宙学中令人不安的紧张
标准模型对暗能量和暗物质的性质做出了特定的假设。但是，尽管经过了几十年的密集观察，我们似乎仍然无法弄清暗物质和暗能量的组成。
试金石是所谓的哈勃张力。这与哈勃常数有关，它是目前宇宙膨胀的速度。当在我们附近的本地宇宙中测量时，从到附近星系中脉动恒星的距离，称为造父变星，它的值是每百万秒差距73公里/秒(km/s/Mpc)。(百万秒差距是衡量星系间空间距离的单位。)然而，当理论预测时，该值为67.4 km/s/Mpc。差异可能不大(只有8%)，但在统计学上是显著的。
哈勃张力大约在十年前就为人所知。当时，人们认为这些观察结果可能存在偏见。例如，造父变星虽然明亮，很容易看到，但却和其他恒星挤在一起。所以这可能会让它们看起来更亮。这可能会使哈勃常数比模型预测高几个百分点，从而人为地产生张力。
随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的出现，我们可以单独分离恒星。所以我们希望能得到张力的答案。
仍在寻找答案
令人沮丧的是，这还没有发生。除了造父变星，天文学家现在还使用另外两种类型的恒星。(这些类型是红巨星分支的尖端恒星(TRGB)和j区渐近巨星分支(JAGB)恒星。)但是，当一个小组报告的JAGB和TRGB恒星的值与宇宙模型的预期值非常接近时，另一个小组声称他们仍然看到了观测结果的不一致之处。与此同时，对造父变星的测量继续显示出哈勃望远镜的张力。
值得注意的是，尽管这些测量非常精确，但它们仍然可能受到与每种测量类型唯一相关的一些影响的影响。这将以不同的方式对不同类型的恒星影响观测的准确性。精确但不准确的测量就像试图与一个总是错过重点的人交谈一样。为了解决相互矛盾的数据之间的分歧，我们需要既精确又准确的测量。
好消息是，哈勃张力现在正在迅速发展。也许我们将在明年左右得到答案。例如，通过包括来自更遥远星系的恒星来提高数据的准确性，将有助于解决这个问题。同样，对时空涟漪或引力波的测量也能帮助我们确定这个常数。
标准模型的良好记录
这可能都证明了标准模型是正确的。或者它可能暗示其中缺少了一些东西。也许暗物质的本质或引力在特定尺度上的行为方式与我们现在所认为的不同。但在对这一模型打折扣之前，人们不得不惊叹于它无与伦比的精确度。它最多只偏离了几个百分点，而外推了130亿年的进化。
从这个角度来看，即使是太阳系中行星的时钟运动也只能在不到10亿年的时间内可靠地计算出来，之后它们就变得不可预测了。标准的宇宙学模型是一台非凡的机器。
宇宙学中的“团块性”
哈勃望远镜的张力并不是宇宙学的唯一问题。另一个被称为S8张力的问题也在制造麻烦，尽管规模不同。这里模型有一个平滑问题，通过预测宇宙中的物质应该比我们实际观察到的更多地聚集在一起，大约10%。测量物质“团块性”的方法有很多种，例如，通过分析来自星系的光的扭曲，这种扭曲是由假设的暗物质沿视线干涉产生的。
目前，科学界似乎达成了一种共识，即在排除宇宙模型之前，必须先梳理出观测中的不确定性。缓解这种紧张的一种可能的方法是更好地理解星系中气体风的作用，它可以将一些物质推出来，使其更平滑。
了解小尺度上的团块测量与大尺度测量之间的关系将有所帮助。观察结果也可能表明，有必要改变我们对暗物质的模型。例如，如果暗物质不像标准模型假设的那样完全由冷的、缓慢运动的粒子组成，它可能与一些热的、快速运动的粒子混合在一起。这可能会减缓宇宙后期团块的增长，从而缓解S8的张力。
早期的大质量星系
韦伯还强调了标准模型面临的其他挑战。其中之一是早期星系的质量似乎比预期的要大得多。有些星系可能和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，对宇宙模型的影响不太清楚，因为可能有其他可能的解释来解释这些令人惊讶的结果。解决这个问题的关键是改进星系中恒星质量的测量。而不是直接测量它们，这是不可能的，我们从星系发出的光中推断出这些质量。
这一步涉及到一些简化的假设，这可能会导致对质量的高估。最近，一些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。
宇宙学的不同理论
那么，我们现在的进展如何?一些矛盾可能很快就会被更多更好的观察所解释。但目前尚不清楚是否会有一个解决方案来解决所有打击宇宙模型的挑战。
然而，关于如何修正这一模型的理论观点并不缺乏。也许太多了，大概有几百个，而且还在增加。对于任何想要探索所有这些理论的理论家来说，这都是一项令人困惑的任务。
可能性有很多。也许我们需要改变我们对暗能量本质的假设。也许它是一个随时间变化的参数，最近的一些测量表明了这一点。或者我们需要在模型中添加更多的暗能量来促进早期宇宙的膨胀，或者相反，在后期。修正引力在大尺度宇宙中的行为(不同于被称为修正牛顿动力学(MOND)的模型)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所能解释的大量观测结果。更令人担忧的是，其中一些可能有助于缓解一种紧张局势，但会使其他紧张局势恶化。
具有挑战性的理论
这扇门现在向各种挑战宇宙学最基本原则的想法敞开。例如，我们可能需要放弃宇宙在非常大的尺度上是均匀和各向同性的假设。这些术语表明宇宙中没有特殊的点。所以，也许在所有的观察者看来，它在各个方向上看起来都不一样。其他人则提议对广义相对论进行修改。
有些人甚至想象一个骗子宇宙，它参与我们的观察行为，或者根据我们是否看它而改变它的外观……我们知道在原子和粒子的量子世界中发生的事情。
随着时间的推移，这些想法中的许多可能会被理论家的好奇心所淹没。但就目前而言，它们为测试“新物理学”提供了肥沃的土壤。
这是一件好事。这些矛盾的答案无疑将来自更多的数据。在接下来的几年里，来自韦伯、暗能量光谱仪器(DESI)、维拉鲁宾天文台和欧几里得等众多实验的强大观测组合将帮助我们找到长期寻求的答案。
引爆点
一方面，更准确的数据和对测量中的系统不确定性的更好理解可以使我们回到标准模型的安慰中。从过去的麻烦中走出，这个模型可能不仅会被证明是正确的，而且还会得到加强，宇宙学将成为一门既精确又准确的科学。
但如果天平向另一边倾斜，我们将被带入未知领域，届时必须发现新的物理学。这可能会导致宇宙学的重大范式转变，类似于20世纪90年代末发现的宇宙加速膨胀。但在这条道路上，我们可能不得不考虑从本质上讲，暗能量和暗物质是宇宙中两个未解之谜。
安德里亚·丰特，利物浦约翰摩尔斯大学理论天体物理学讲师
本文基于知识共享许可协议，转载自The Conversation。阅读原文。
结论:标准模型在解释宇宙学方面做得非常出色。但也存在一些问题。新的观测结果会证实标准模型，还是会成为我们需要新物理学的转折点?
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