新研究表明，宇宙可能存在不平衡
这张来自NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜的图像，重访了天空中最具标志性的区域之一——哈勃超深空场。图片来源：uux.cn欧洲航天局/韦伯、NASA与CSA、G. 厄斯特林、P. G. 佩雷斯-冈萨雷斯、J. 梅林德、JADES协作、MIDIS合作、M. 扎马尼（欧洲航天局/韦伯）
（神秘的地球uux.cn）据《对话》（作者：苏比尔·萨卡尔）：宇宙的形状并不是我们常常思考的事情。我和同事们发表了一项新研究，指出它可能是不对称或不平衡的，也就是说各个方向都不一样。
我们应该关心这件事吗？如今的“标准宇宙学模型”——描述整个宇宙的动力学和结构——完全基于各向同性（在所有方向看起来相同）且在大尺度平均时均匀的假设。
但一些所谓的“张力”——即数据中的分歧——对统一宇宙的这一观点提出了挑战。
我们刚刚在《现代物理评论》上发表了一篇论文，探讨了其中最重要的张力之一——宇宙偶极异常。我们得出结论，宇宙偶极异常对最广泛接受的宇宙描述——标准宇宙学模型（也称为Lambda-CDM模型）构成了严重挑战。
那么，什么是宇宙偶极子异常？为什么它在详细描述宇宙时会成为如此困难？
宇宙微波背景辐射是大爆炸的遗留辐射。图片来源：uux.cn欧洲航天局/普朗克合作
让我们从宇宙微波背景辐射（CMB）说起，这是大爆炸遗留的辐射。CMB在天空中均匀分布，接近十万分之一。
因此，宇宙学家们对用爱因斯坦广义相对论中“最大对称”的时空描述来建模宇宙充满信心。这种对宇宙的对称视角，即宇宙在所有方向和处处看起来都一样，被称为“FLRW描述”。
这大大简化了爱因斯坦方程的解法，并成为Lambda-CDM模型的基础。
但存在几个重要的异常现象，其中包括一个广受争议的哈勃张力。它以埃德温·哈勃命名，他被认为是1929年发现宇宙正在膨胀的人。
这种紧张关系在2000年代开始显现于不同的数据集，主要来自哈勃太空望远镜的数据，以及盖亚卫星的最新数据。这种张力是一种宇宙学上的分歧，宇宙早期膨胀速率的测量与附近（更近代）宇宙的测量不符。
宇宙可能存在不平衡——新研究
物质和CMB偶极子不匹配——方向一致（上面板），但振幅不一致（下面板）。图片来源：Secrest 等，《现代物理评论》97卷（2025年）041001
宇宙偶极子异常受到的关注远不及哈勃张力，但它对我们理解宇宙的意义更为根本。那到底是什么？
在确认宇宙微波背景辐射在大尺度上是对称的后，发现了大爆炸遗留辐射的变异。其中最重要的一个是CMB偶极子各向异性。这是CMB中最大的温差，天空一侧较热，另一侧较冷——大约是千分之一。
这种CMB的变异并不挑战宇宙的Lambda-CDM模型。但我们应该在其他天文数据中发现相应的差异。
1984年，乔治·埃利斯和约翰·鲍德温探讨了在遥远天文源如射电星系和类星体的天空分布中是否存在类似的变异，即“双极各向异性”。这些源必须非常遥远，因为附近的源可能形成虚假的“聚集偶极子”。
如果“对称宇宙”FLRW假设正确，那么这种远距离天文源的变化应直接由观测到的CMB变化决定。这被称为埃利斯-鲍德温测试，以天文学家命名。
CMB与物质变异之间的一致性将支持标准的Lambda-CDM模型。Discord会直接质疑它，甚至FLRW的描述。由于这是一个非常精确的测试，执行所需的数据目录直到最近才出现。
结果是宇宙未能通过埃利斯-鲍德温测试。物质的变异与CMB不匹配。由于望远镜和卫星之间可能的误差来源，以及光谱中不同波长的误差，令人欣慰的是，地面射电望远镜和卫星在中红外波段观测时也能获得相同结果。
因此，宇宙偶极子异常已成为标准宇宙学模型的重大挑战，尽管天文学界大多选择忽视它。
这可能是因为没有简单的方法可以解决这个问题。这不仅需要放弃Lambda-CDM模型，还要放弃FLRW的描述本身，从头开始。
然而，预计来自Euclid和SPHEREx等新卫星，以及Vera Rubin天文台和平方公里阵列等望远镜，将带来大量数据。我们可以想象，我们很快可能会获得关于如何构建新宇宙模型的大胆新见解，利用人工智能（AI）中一个名为机器学习的子领域的最新进展。
这将对基础物理学——以及我们对宇宙的理解——产生巨大影响。
更多信息：Nathan Secrest 等，《Colloquium：宇宙偶极异常》，《现代物理评论》（2025年）。DOI： 10.1103/9ygx-z2yq.在arXiv上：DOI： 10.48550/arxiv.2505.23526
