宇宙从各个方向看，都一样吗？

仰望夜空就会发现，宇宙显然不是在所有尺度上都是一致的。在较小尺度上，物质分布并不均匀：有些地方聚集着恒星，有些地方则几乎是空的；而从不同方向望去，我们看到的结构也并不完全相同。

尽管如此，宇宙学家仍然假定，在足够大的尺度上，宇宙会呈现出统计均匀（各处相同）且各向同性（各个方向都相同）的样子。这便是宇宙学原理，它支撑着标准宇宙模型，也就是所谓的含宇宙学常数的冷暗物质模型（ΛCDM模型）。

因此，如果要判断宇宙在大尺度上是否真的均匀、各向同性，就必须研究星系在三维空间中的分布。

现在，一项新发表于《自然》的研究表明，星系分布中仍存在持续的各向异性结构，其延伸尺度达到约一个吉秒差距（约等于32.6亿光年）的量级。如果这一大胆主张成立，它将动摇宇宙学原理。

1吉秒差距的纤维状结构

自20世纪80年代以来，科学家一直在争论：宇宙究竟在多大尺度上会过渡到均匀状态？过去，一些关于星系分布的研究表明，宇宙大约在100兆秒差距，也就是约3亿光年的尺度上，会变得均匀。

在新的研究中，研究人员将一种新的统计工具应用于迄今最大的星系图。这幅宇宙图由暗能量光谱仪（DESI）绘制而成。DESI利用位于亚利桑那州的一台4米望远镜，测绘了4700万个星系的三维位置。

此前的研究通常会问这样一个问题：如果在某一点有一个星系，那么不考虑方向，在某个特定距离处找到另一个星系的可能性有多大？也就是说，传统方法通常测量的是星系聚集如何随距离变化。

而在这项新研究中，研究人员关注的不只是距离，还包括方向。他们想知道：相隔一定距离的星系对，是否会在空间中呈现出某种共同的取向。

为此，研究人员把DESI的星系图切分成一系列二维切片，检查了相隔特定距离的星系对，并寻找这些星系对取向上的模式。在一个均匀且各向同性的宇宙中，这些方向本应随机且均匀地分布。但研究人员发现，这些方向之间存在显著相关性。

这表明，与ΛCDM模型的模拟预测相比，星系分布在远大得多的距离上，仍然保持着“纤维状”结构。具体而言，新研究表明，宇宙的纤维状特征可能会一直延续到1吉秒差距尺度。

动摇ΛCDM模型？

为什么这一发现，有可能动摇标准宇宙学？关键在于，ΛCDM模型本身就建立在宇宙学原理之上。

ΛCDM模型给出了宇宙的组成配方——约5%的普通物质，约27%的不可见暗物质，以及约68%的暗能量。它把庞大的星系宇宙网的演化，追溯到大爆炸后最初出现的亚原子粒子热汤中微小的密度涨落。

在极短的一瞬间，一段被称为暴胀的指数式急剧膨胀，把这些涨落拉伸到宇宙尺度，同时让时空变得更加平滑、平坦。随着宇宙膨胀减慢，引力进一步放大这些涨落，使暗物质聚集成团；这些暗物质团块随后吸引普通物质，最终孕育出恒星和星系。

所有这些都必须与爱因斯坦（Albert Einstein）的引力理论——广义相对论——相协调。而这正是宇宙学原理发挥作用的地方。根据广义相对论，宇宙演化本应由一组复杂、相互耦合的方程来支配。假定宇宙在足够大的尺度上是均匀且各向同性的，就可以大幅简化这些方程。

换言之，正是因为引入宇宙学原理之后，ΛCDM模型在数学上才变得足够简洁，可以实际求解和使用。

然而，这种简化也隐含了一个前提：在足够大的尺度上，局部的不均匀结构会被平均掉，底层时空可以被近似看作平滑、平直的背景，宇宙整体也应当不再呈现显著结构或特殊方向。

而新的研究结果却显示，星系分布中的各向异性结构有可能持续到数十亿光年的尺度。

挑战还是误差？

在一些学者看来，这样的结果并不意外。因为他们认为，ΛCDM模型可能存在一个被低估的问题：它没有充分考虑暗物质和星系构成的宇宙网本身如何反过来弯曲时空。原则上，这种反馈效应或许能够解释空间的加速膨胀，而不必引入某种暗能量。

不过，也有学者对这一新主张持怀疑态度。质疑的声音认为，如果这些结构真的横跨数十亿光年，那么它们的引力应当会显著扭曲大爆炸留下的余辉，也就是宇宙微波背景辐射（CMB）。但目前来自宇宙微波背景的高精度观测，并没有显示出与这种超大尺度结构相对应的强烈扭曲。因此，在他们看来，新结果似乎与CMB观测存在矛盾。

这场争论最终或许会归结为一个问题：宇宙学原理究竟是宇宙的一种基本特征，还是只是一种效果不错的近似？

鉴于ΛCDM模型成功解释了大量观测，宇宙学原理不可能错得太离谱。不过，各种异常现象表明，它也并不完全正确。换言之，宇宙学原理不可能被严重违反，但这并不意味着它就是完全正确的。

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图&首图：FRANCESCO SYLOS LABINI/ENRICO FERMI RESEARCH CENTER