国际资讯|如何绘制宇宙
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英文原文来源：www.gislounge.com
中文编译整理：慧天地国际站一鸣
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人们能尝试绘制的最困难的事物之一就是宇宙，其尺寸和形状在科学家和专家之间鲜有讨论。但过去十年制造的新仪器正试图帮助人们解决一个长期存在的谜团，这个谜团不仅对有效绘制宇宙地图至关重要，而且或许有一天能告诉我们宇宙的命运。
宇宙的形状是什么？
宇宙的确切形状是很难测量的，我们只能以相对有限的方式来进行长距离测量。宇宙大约诞生于138亿年以前，只有物理上有可能测量138亿光年的距离，这意味着如果宇宙仍在膨胀，我们就看不到这种膨胀。然而，测量宇宙相对于实际密度的临界密度可以让我们知道它可能的形状。其中的一种可能性是，宇宙像行星一样弯曲，并且是封闭的，当实际密度大于临界密度时就会发生这种情况。另一种可能性是它是弯曲的，但更像一个鞍，被认为是一个开放的宇宙，当临界密度大于实际密度时就会出现这种现象。最后一种可能性是它是平坦的，临界密度和实际密度相等。平坦的宇宙是大多数宇宙学家认为的宇宙形状，因为他们认为它正在膨胀，这用平坦的宇宙更好解释。
图1：研究人员正试图了解宇宙是弯曲闭合的（顶部）、开放鞍形的（中间）还是平坦的（底部）。
（图片来源：NASA/WMAP Science team）
绘制宇宙微波背景图
然而，宇宙给我们留下了一些线索，使我们能够测量空间的维度和尺度，从而制作出更精确的地图。普朗克卫星是由欧洲航天局(ESA)和美国宇航局(NASA)联合发射的一颗卫星，它被用来绘制太空的不同方面，并捕获各种数据，使研究人员能够进行测量，从而更好地了解宇宙的尺寸[1]。例如，在我们的星系中，人们已经测量了星际尘埃和微波，研究人员据此首次绘制出了这些物质的分布图。宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙大爆炸产生后不久遗留下来的辐射，是了解空间维度的最重要手段。从最初的爆炸开始，这种光一直在扩展，并在过去的138亿年里持续穿越宇宙。
图2：宇宙微波背景——数据由普朗克卫星提供
（图片来源：ESA and the Planck Collaboration）
2018年，普朗克项目详细绘制出了宇宙微波背景辐射(CMB)地图，并向科学家们公布了数据。虽然理论学家经常假设宇宙可能是平的，从而向外膨胀，但原始数据数据却令科学家们感到惊讶，因为宇宙微波背景辐射表明宇宙的形状是有界限的，这意味着宇宙的形状更像一个行星。然而，即使有普朗克的数据，这个问题仍然没有得到解决。首先，一些科学家认为来自宇宙的污染物可能会破坏测量结果，这意味着宇宙的形状可能仍然是平的[2]。事实上，天文学家认为，使用不同的地球传感器和其他仪器进行的多次测量表明，宇宙仍然是平的。另一方面，其他人则认为测量是准确的，宇宙有边界，并且是弯曲的[3]。对这些科学家来说，普朗克的仪器意味着我们现在可以更准确地测量宇宙的形状，并能用更好的方法来绘制它。此外，弯曲和封闭的宇宙解释了暗物质等现象，暗物质被视为构成宇宙很大一部分的物质。一种可能性是，一个平坦的宇宙不可能容纳这么多的暗物质。更大的物质会使光发生弯曲，而使用CMB进行的观测表明，宇宙中的暗物质比一般人认为的要多，这也会影响到宇宙的整体质量。
关于宇宙形状的答案现在并不像以前那样一致。宇宙学家对宇宙的重要组成部分，如暗物质、暗能量和膨胀(即宇宙膨胀)的观测是理论化的，尚未用标准物理学进行观测和解释。这意味着绘制宇宙地图仍然存在问题，因为组成宇宙的物质和能量，以及它们如何改变和塑造宇宙，仍然不容易理解和讨论。最近的研究表明，宇宙的构成及其遵循的物理规律可能比我们想象的要更复杂。希望来自不同形式传感器的更多数据能让我们使用各种代理变量来确定我们的宇宙的形状。
参考文献：
[1]For more on the Planck satellite, see: https://sci.esa.int/web/planck.
[2]For more on aflat universe, see: https://www.space.com/universe-shape-flat-closed-debate.html.
[3]For more on acurvy and bounded universe, see: DiValentino, E., Melchiorri, A. & Silk, J. Planck evidence for a closedUniverse and a possible crisis for cosmology. Nat Astron 4, 196–203 (2020).https://doi.org/10.1038/s41550-019-0906-9.
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