科技日报练习记者 于紫月
具有庞大盘面的扁球体，就像个超等年夜号的铁饼——这是我们赖以保存的银河系的肖像。那末，宇宙是甚么外形的呢？
无数科学家都曾对其有过诸多料想，这个疑问也始终没有切当的谜底。颠末多年的不雅测和推演，这些料想逐步收敛到一个主流的不雅点上——宇宙是一望无际的平展三维空间。
近日，英国曼彻斯特年夜学研究职员埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺等人经由过程对普朗克卫星的不雅测数据阐发指出，宇宙可能不是像床单一样平展，而是一个封锁的三维球面，就像个庞大的气球一样曲折。该研究日前颁发在《天然·天文学》杂志上。
两种思绪摸索宇宙外形之谜
以牛顿引力为根本的牛顿宇宙不雅以为，宇宙是无穷无边的三维欧氏几何空间，即宇宙散布在我们常说的立体几何空间里，这一空间是无穷的，此中平均地散布着无穷多的天体。但是，这一假定与引力理论并不是完全契合，而是存在某些矛盾。
“后来，当人们熟悉到曲折空间的概念今后，便有了宇宙是三维球面的可能性。”中国科学院国度天文台研究员陈学雷在接管科技日报记者采访时暗示，爱因斯坦机关了一个有限无边的宇宙静态模子，他以为宇宙多是一个有限封锁的三维球面。
按照广义相对论，物资的存在使得时空曲折。在庞大质量的天体四周，光线不“走”直线，而是“走”曲线。后来，跟着对宇宙的认知进一步加深，人们发现，现实上宇宙的真实外形存在着多种可能性。
“最多见的有3种可能，即平直的三维欧氏几何空间、曲折的封锁三维球面和曲折的三维双曲面。”陈学雷暗示，即宇宙曲率别离为零、正和负时，宇宙所显现的三种分歧形态。
这三种可能的宇宙外形中，只有封锁三维球面是有限的空间。三维双曲面就像马鞍的外形一样，马鞍的两侧下沿无穷延长。而平展的三维欧氏空间就更一望无际了。
那末，这三种可能性事实哪一种才是宇宙的真实外形呢？我们又是用何种方式测算出宇宙的外形呢？
“首要有两种思绪，其一是用几何的方式丈量，其二是用密度的方式往界定。”陈学雷先容。
尽人皆知，在平直空间的欧氏几何中，任何三角形的内角之和都是180°。可是若是在球面上或曲率为正的曲面上，内角加起来将跨越180°。而在双曲面或曲率为负的曲面上，三角形内角加起来将小于180°。几何丈量方式的道理是，以不雅测者作为一个极点，再在空间拔取2个点，组成一个三角形。若是我们能测出三条边的边长，在欧氏几何中便可以肯定这一具有独一性的三角形，其顶角的年夜小便可以计较出来。另外一方面，我们也能够经由过程直接不雅测获得我们地点的顶角的年夜小，与计较值比拟，便可以肯定是不是一致，仍是更年夜或更小。
若是这个顶角的不雅测值和计较值（真实值）相等，表白宇宙是平直的三维欧氏空间；若是不雅测值年夜于计较值，则表白光线在一个正曲率面上穿行，即宇宙为球面；若是不雅测值小于计较值，则表白宇宙是负曲率的双曲面。
别的一种思绪取决于膨胀宇宙的整体密度和临界密度的关系。临界密度取决于膨胀速度，某一时刻的膨胀速度越高，临界密度也越高。
按照广义相对论，当宇宙的整体密度（即均匀密度）即是临界密度时，宇宙外形为无穷、平展的三维欧氏空间；当整体密度年夜于临界密度时，宇宙的几何性质表示为球面几何；若是宇宙空间中物资总量太少，使得其密度小于临界密度的话，宇宙表示为双曲几何。
微波布景辐射掀起宇宙神秘面纱
但是，若是沿着几何丈量思绪，在宇宙标准上，我们不成能飞到足够远的间隔往实地探测，由于若是仅仅是在银河系内乃至银河系周边丈量，获得的也只是局部的曲率，并不是全部宇宙的真实曲率。就像是地球上有高山、盆地，凹凸不服，但地球整体上仍是个球体。
若是沿着宇宙密度的思绪往研究，现实操纵起来也很坚苦。缘由在于，固然我们已测算出了与哈勃常数相干的临界密度值，但宇宙的整体密度却很难测准。星系间存在广袤的空间，星系内和星系之间的空间密度便年夜纷歧样。更况且，宇宙中还存在着还没有不雅测到的、所谓的暗物资，其数目可能远跨越今朝的可见物资，这给整体密度的测定带来了很年夜的不肯定身分。
宇宙微波布景辐射则为推算宇宙均匀密度供给了很年夜助力。20世纪90年月末的毫米波段气球不雅天打算中，人们经由过程对宇宙微波布景辐射的相干数据搜集，丈量出宇宙整体密度与临界密度的比值接近于1。“尝试是存在误差的，是以基于这一成果，人们以为宇宙没有较着的正曲率或负曲率，几近是平展滑腻的空间布局。”陈学雷暗示，这也与宇宙暴胀理论所展望的平展宇宙不约而合。
2018年，欧洲航天局（ESA）普朗克巡天打算发布了更加切确的不雅测数据。“尽量地剔除相干尝试误差以后，欧洲航天局的数据显示，宇宙曲率可能偏向于正，即宇宙外形为封锁球面，固然这一‘偏向’其实不十分较着。”陈学雷说。
此次研究中，瓦伦蒂诺等人经由过程普朗克卫星不雅测获得宇宙微波布景辐射“引力透镜化”水平的数据根本，又阐发了年夜量数据，采取分歧的模子对这些数据进行拟合，相干计较得出宇宙是封锁球面的几率约为99%。
成果更靠得住但争辩远未尘埃落定
这项研究成果靠得住吗？宇宙外形的争辩是不是也就此尘埃落定？
“此次研究中所采取的统计学研究并不是无懈可击，还存在必然的误差。但若是事实确切如斯，那必定会颠覆良多传统的认知。”陈学雷告知科技日报记者，研究职员可能会低估统计误差，所以真实的几率也许没有99%这么高。
“值得注重的是，所有的参数推演都是基于必然的模子，例如经由过程时候和速度，可以计较前途程。旅程、时候、速度这三者之间的关系就是一个简单的模子。而这项研究中，我们其实不肯定其用到的模子自己是不是包括了所有的物理学效应，这是值得进一步研究的。”陈学雷指出，好比未斟酌到某些效应，或存在一些未知效应，就会影响我们对宇宙真实外形的判定。
研究职员也暗示：“我不想说我相信一个封锁的宇宙。”他以为，这一成果只是表白与以往的研究有差别，至于为什么会存在这一差别，应谨严地摸索此中缘由。
以往也曾有研究指出，宇宙的外形并不是平展的三维欧氏空间。为什么此次研究，学界较为存眷？
“以往的研究凡是会按照宇宙微波布景辐射的热斑判定宇宙外形。”陈学雷告知记者，宇宙微波布景辐射的温度是不平均的。宇宙初期存在声波振荡，第一次振荡发生的热斑最年夜。以往的研究相当于只是在这个最年夜热斑的根本上画了一个三角形，丈量宇宙曲率。事实上，若是改变此中某些参数，即使分歧的模子也可能会拟合出一样的曲线，是以精确度相对较低，可托度也较低。
“而此次研究相当于不但采取了最年夜热斑的三角形，还同时阐发了其他振荡所发生热斑的三角形，宇宙是封锁球面的成果相对加倍可托。”陈学雷谈道，“文章中还提到了对除宇宙微波布景辐射以外的不雅测，如超新星等，拟合结果其实不抱负，这表白还有一些工具我们未斟酌到，需要进一步的摸索。”'
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