宇宙「斷層掃描」：顯示宇宙比預期更複雜

一項強大的研究成果，透過兩種截然不同的天文觀測資料的巧妙結合，讓研究人員得以建構出宇宙演化的「宇宙斷層掃描」。研究團隊成員表示：「這個過程就像是宇宙的斷層掃描，我們可以透過不同的宇宙歷史切片，追蹤物質在不同時代是如何聚集在一起的。」

這些宇宙「快照」顯示，隨著重力等力量重塑宇宙，宇宙反而變得不再那麼聚集。換句話說，宇宙變得比預期更為複雜。得出這些發現的研究團隊，運用了阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）第六次也是最後一次釋出的資料，以及暗能量光譜儀（DESI）第一年的資料。

如此強大的資料組合，使研究人員得以重疊宇宙時間，就如同將古老的宇宙照片疊加在近期的宇宙影像上，創造出一個多維度的宇宙視角。研究團隊共同負責人、賓夕法尼亞大學的馬修·馬哈瓦切裡爾表示：「這個過程如同宇宙斷層掃描，能讓我們窺探宇宙歷史的不同切片，追蹤物質在不同時代的聚集情形，也能讓我們直接瞭解物質的引力影響在數十億年間是如何變化的。」

為了建構這個所謂的宇宙斷層掃描，研究團隊需要藉助幾乎與宇宙本身存在時間一樣久的光。利用如此古老的光，就能追蹤在大約138億年間，重力重塑宇宙時所經歷的種種變化。

研究團隊共同負責人之一、馬哈瓦切裡爾團隊的研究生約書亞·金指出：「ACT覆蓋了約23%的天空，利用自大爆炸以來就一直在傳播的遙遠微弱光線，勾勒出宇宙初期的樣貌。正式來說，這種光被稱為宇宙微波背景輻射（CMB），但有時我們就稱它為宇宙的嬰兒照，因為它是宇宙大約38萬歲時的快照。」

宇宙微波背景輻射是大爆炸後不久發生的「最後散射」事件留下的光。當宇宙膨脹並冷卻到足以使電子和質子形成第一批中性氫原子時，就發生了這一事件。自由電子的消失意味著光子（也就是光粒子）可以自由傳播，而不會被無休止地散射。換句話說，宇宙突然從不透明變得透明瞭。如今，那第一道光是被視為宇宙微波背景輻射，也被稱為「最後散射面」。

雖然宇宙微波背景輻射常被形容為「宇宙化石」，但它在數十億年間並非完全沒有變化。宇宙的膨脹導致其光子的波長變長，能量降低。如今它的溫度均勻保持在零下454華氏度（零下270攝氏度）。

由於質量會扭曲時空結構，從而產生重力，所以宇宙微波背景輻射的光在經過星系團等大型、高密度和重質量結構時會發生扭曲。這就好比看著空游泳池底部的格子圖案，並注意到加水時產生的扭曲現象。這個過程被稱為「引力透鏡效應」，愛因斯坦在其廣義相對論的引力理論中首次提出了這一概念。

透過觀察宇宙微波背景輻射隨時間的扭曲和變形，科學家可以深入瞭解數十億年間物質的演化。ACT資料捕捉到了宇宙微波背景輻射在宇宙嬰兒期的快照，而DESI則為科學家提供了一個更近期的「成年」宇宙的紀錄。

DESI是透過繪製宇宙的三維結構來做到這一點的，具體方法是繪製數百萬個星系的分佈，尤其是發光紅星系（LRG）。利用這些星系作為「宇宙地標」，科學家可以重建物質在宇宙時間中的分散情況。金表示：「DESI的發光紅星系就像是宇宙更近的照片，向我們展示了不同距離的星系是如何分佈的。這是一種強大的方式，可以看到從宇宙微波背景輻射圖到如今星系的分佈，結構是如何演化的。」

將ACT的宇宙微波背景輻射透鏡圖和DESI的發光紅星系資料放在一起，就像是瀏覽一本展示嬰兒到成人成長過程的相簿，只不過這是關於宇宙的。

在瀏覽這本宇宙相簿時，研究團隊注意到了一個小差異。研究團隊計算出的宇宙晚期物質的「聚集程度」與理論預測不符。

儘管這個差異還不足以表明有全新的物理學原理在起作用，但它確實表明宇宙結構的演化方式與早期宇宙模型所暗示的有所不同。研究結果還暗示，宇宙結構的增長可能以目前模型無法完全解釋的方式放緩了。馬哈瓦切裡爾表示：「總的來說，我們發現結構形成的故事與愛因斯坦引力理論的預測非常一致。但在大約40億年前的近期時代，我們確實發現了預期聚集程度存在微小差異的線索，這可能值得深入研究。」

從事這項研究的研究人員打算繼續這一研究方向，而且未來會使用更強大的望遠鏡，以期獲得更精確的測量結果。該團隊的研究成果於2024年12月10日發表在《宇宙學與天體粒子物理學雜誌》上。本文最初釋出於Space.com。