宇宙学的一个基本思想是：如果你的观察距离足够远，那么不管从哪个方向上看,所有东西看起来都是一样的。但一项采用美国宇航局钱德拉X射线天文台和欧洲航天局XXM牛顿X射线天文台数据的新研究正在对这一基本概念提出挑战。
利用这些轨道观测站的X射线数据，天文学家们研究了数百个星系团（它们是宇宙中被引力聚集起来的最大的结构）以及它们的外观属性在整个天空中如何不同。
在这张包含整个天空蓝图的图像里，显示了数百个星系团中的其中四个，这四个星系团被用来远距离测试宇宙在的各个方向是否一致。
来源：美国宇航局/CXC/波恩大学/ K. 米卡斯等 插图：美国宇航局/CXC/ M. 魏斯
领导这项新研究的是德国波恩大学（University of Bonn）的康斯坦蒂诺斯·米卡斯（Konstantinos Miggas），他说：“宇宙学是对整个宇宙的历史和命运的研究，其支柱之一就是宇宙是‘各向同性的’，即宇宙在各个方向上都是一样的。但我们的研究表明了那根支柱似乎存在裂缝。”
天文学家普遍认为，在大爆炸之后，宇宙继续膨胀着。这种膨胀常常被类比为烤葡萄干面包：当烘烤面包时，葡萄干（代表了星系和星系团等宇宙物体）会因为整个面包（代表空间）的膨胀而彼此远离。在均匀混合的前提下，膨胀在所有方向上应该都是一致的，正如在各向同性的宇宙中一样。但这些新研究的结果可能不符合这一情况。
该研究的合著者是哈佛和史密森尼天体物理中心（CfA）（该中心位于马萨诸塞州剑桥市）的格瑞特·舍伦伯格（Gerrit Schellenberger），他说：“在群集观测中，我们发现：如果我们的观察角度不同，宇宙的膨胀速度似乎也存在差异。而这与我们今天在宇宙学中使用的最基本的假设是相矛盾的。”
科学家们此前已经进行过多次测试来探究宇宙在各个方向是否相同；其中包括对爆炸恒星的光学观测和星系的红外研究。在这些先前的工作带来的证据里，有些可能证实了宇宙不是各向同性的，但有些并没有。
这项最新的测试采用了一项强大、新颖、和独立的技术。它利用的是弥漫在星系团中的热气体的温度与其产生的X射线量（即星系团的X射线光度）之间的关系。星团中气体的温度越高，X射线的光度也就越高。一旦测量了星团气体的温度，就可以估算X射线的光度。这种方法不会受到包括宇宙的膨胀速度在内的宇宙学物理量的影响。
在用这项技术估算完星团的X射线光度后，科学家们就用另一种方法来计算光度，而这种方法会取决于包括宇宙的膨胀速度在内的宇宙学物理量。研究结果展现了整个天空范围内膨胀速度的差异，其显示宇宙在某些方向的移动速度似乎比其他方向更快。
其他有些研究组通过使用不同的技术发现了宇宙缺乏各向同性的迹象，该研究小组也将这项研究与这些研究组的研究进行了比较。他们就最低膨胀速度的方向上很好地达成了一致。
这项新研究的作者就他们涉及的宇宙学的结果提出了两种可能的解释。其中一个解释是，较大的星系团们可能是一起移动的，但不是因为宇宙膨胀。例如，一些星系团可能被附近的其他星系团的引力拉到同一方向移动。如果运动足够快，那它可能会导致对星团亮度的测量发生错误。
这些相关运动使得宇宙在不同方向上看起来似乎有不同的膨胀速度。在距离通常不到8.5亿光年的地方，天文学家在相对较近的星系间曾看到过类似的效应，在这个距离，相互引力被认为可以控制天体的运动。然而，科学家们预计宇宙的膨胀会主导更远距离的星团的运动，在这项新的研究中探索距离为50亿光年。
第二种可能的解释是宇宙在各个方向上实际上并不相同。而一个有趣的原因可能是暗能量—这个似乎正在加速推动宇宙膨胀的神秘力量—本身并不均匀。换言之，X射线显示的不同的膨胀速度可能是因为宇宙中某些地方的暗能量比其他地方更强。
同样来自波恩大学的合著者托马斯·雷普里奇说：“这就像面包中的酵母没被搅拌均匀，导致面包在某些地方比在其他地方膨胀得更快。如果能发现暗能量的强度在宇宙的不同部分确实有所不同，那会非常了不起。但是，如果要令人信服，我们还需要更多的证据来排除其他解释。”
这两种宇宙学解释中的任何一种都会产生重大的后果。宇宙学中的许多研究，包括对星系团的X射线研究，都假设宇宙是各向同性的，且认为在这里的探测距离上，相关运动对宇宙膨胀的影响可以忽略不计。
研究小组使用了313个星系团的样本进行分析，其中包括钱德拉观测到的237个共曝光191天的星系团和XMM牛顿观测到的76个共曝光35天的星系团。利用XMM牛顿和日美先进宇宙学和天体物理学卫星（ASCA）的数据，他们将这两个大型X射线样本和他们的星系团样本结合起来，得到了总共842个不同的星系团。他们用同样的方法发现了相似的结果。
描述这些结果的论文会在2020年发表于《天文学和天体物理学》杂志上，也可在线获取。该论文的作者除米卡斯、舍伦伯格、和雷普里奇外，还有弗洛里安·帕考德、米里亚姆·伊丽莎白·拉莫斯-塞亚（波恩大学）、和洛伦佐·洛维萨里（天体物理中心）。
美国宇航局马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉计划。史密森尼天体物理天文台的钱德拉X射线中心管控来自剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行操作。
作者: Editor:Lee Mohon
FY: 李·莫洪
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