宇宙從各個方向看，都一樣嗎？

仰望夜空就會發現，宇宙顯然不是在所有尺度上都是一致的。在較小尺度上，物質分布并不均勻：有些地方聚集著恒星，有些地方則幾乎是空的；而從不同方向望去，我們看到的結構也并不完全相同。

盡管如此，宇宙學家仍然假定，在足夠大的尺度上，宇宙會呈現出統計均勻（各處相同）且各向同性（各個方向都相同）的樣子。這便是宇宙學原理，它支撐著標準宇宙模型，也就是所謂的含宇宙學常數的冷暗物質模型（ΛCDM模型）。

因此，如果要判斷宇宙在大尺度上是否真的均勻、各向同性，就必須研究星系在三維空間中的分布。

現在，一項新發表于《自然》的研究表明，星系分布中仍存在持續的各向異性結構，其延伸尺度達到約一個吉秒差距（約等于32.6億光年）的量級。如果這一大膽主張成立，它將動搖宇宙學原理。

1吉秒差距的纖維狀結構

自20世紀80年代以來，科學家一直在爭論：宇宙究竟在多大尺度上會過渡到均勻狀態？過去，一些關于星系分布的研究表明，宇宙大約在100兆秒差距，也就是約3億光年的尺度上，會變得均勻。

在新的研究中，研究人員將一種新的統計工具應用于迄今最大的星系圖。這幅宇宙圖由暗能量光譜儀（DESI）繪制而成。DESI利用位于亞利桑那州的一臺4米望遠鏡，測繪了4700萬個星系的三維位置。

此前的研究通常會問這樣一個問題：如果在某一點有一個星系，那么不考慮方向，在某個特定距離處找到另一個星系的可能性有多大？也就是說，傳統方法通常測量的是星系聚集如何隨距離變化。

而在這項新研究中，研究人員關注的不只是距離，還包括方向。他們想知道：相隔一定距離的星系對，是否會在空間中呈現出某種共同的取向。

為此，研究人員把DESI的星系圖切分成一系列二維切片，檢查了相隔特定距離的星系對，并尋找這些星系對取向上的模式。在一個均勻且各向同性的宇宙中，這些方向本應隨機且均勻地分布。但研究人員發現，這些方向之間存在顯著相關性。

這表明，與ΛCDM模型的模擬預測相比，星系分布在遠大得多的距離上，仍然保持著“纖維狀”結構。具體而言，新研究表明，宇宙的纖維狀特征可能會一直延續到1吉秒差距尺度。

動搖ΛCDM模型？

為什么這一發現，有可能動搖標準宇宙學？關鍵在于，ΛCDM模型本身就建立在宇宙學原理之上。

ΛCDM模型給出了宇宙的組成配方——約5%的普通物質，約27%的不可見暗物質，以及約68%的暗能量。它把龐大的星系宇宙網的演化，追溯到大爆炸后最初出現的亞原子粒子熱湯中微小的密度漲落。

在極短的一瞬間，一段被稱為暴脹的指數式急劇膨脹，把這些漲落拉伸到宇宙尺度，同時讓時空變得更加平滑、平坦。隨著宇宙膨脹減慢，引力進一步放大這些漲落，使暗物質聚集成團；這些暗物質團塊隨后吸引普通物質，最終孕育出恒星和星系。

所有這些都必須與愛因斯坦（Albert Einstein）的引力理論——廣義相對論——相協調。而這正是宇宙學原理發揮作用的地方。根據廣義相對論，宇宙演化本應由一組復雜、相互耦合的方程來支配。假定宇宙在足夠大的尺度上是均勻且各向同性的，就可以大幅簡化這些方程。

換言之，正是因為引入宇宙學原理之后，ΛCDM模型在數學上才變得足夠簡潔，可以實際求解和使用。

然而，這種簡化也隱含了一個前提：在足夠大的尺度上，局部的不均勻結構會被平均掉，底層時空可以被近似看作平滑、平直的背景，宇宙整體也應當不再呈現顯著結構或特殊方向。

而新的研究結果卻顯示，星系分布中的各向異性結構有可能持續到數十億光年的尺度。

挑戰還是誤差？

在一些學者看來，這樣的結果并不意外。因為他們認為，ΛCDM模型可能存在一個被低估的問題：它沒有充分考慮暗物質和星系構成的宇宙網本身如何反過來彎曲時空。原則上，這種反饋效應或許能夠解釋空間的加速膨脹，而不必引入某種暗能量。

不過，也有學者對這一新主張持懷疑態度。質疑的聲音認為，如果這些結構真的橫跨數十億光年，那么它們的引力應當會顯著扭曲大爆炸留下的余輝，也就是宇宙微波背景輻射（CMB）。但目前來自宇宙微波背景的高精度觀測，并沒有顯示出與這種超大尺度結構相對應的強烈扭曲。因此，在他們看來，新結果似乎與CMB觀測存在矛盾。

這場爭論最終或許會歸結為一個問題：宇宙學原理究竟是宇宙的一種基本特征，還是只是一種效果不錯的近似？

鑒于ΛCDM模型成功解釋了大量觀測，宇宙學原理不可能錯得太離譜。不過，各種異常現象表明，它也并不完全正確。換言之，宇宙學原理不可能被嚴重違反，但這并不意味著它就是完全正確的。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10702-5

https://www.science.org/content/article/universe-unexpectedly-stringy-which-could-unravel-theory-cosmos

#圖片來源：

封面圖&首圖：FRANCESCO SYLOS LABINI/ENRICO FERMI RESEARCH CENTER