英國(guó)牛津大學(xué)等機(jī)構(gòu)科研團(tuán)隊(duì)近日發(fā)表研究稱，宇宙在大尺度上可能并非傳統(tǒng)假設(shè)的那樣各向同性、處處相同，而是存在一種“偏向性”或“不對(duì)稱性”。這一結(jié)論源自對(duì)所謂“宇宙偶極異常”（cosmic dipole anomaly）的系統(tǒng)分析，被認(rèn)為對(duì)目前占統(tǒng)治地位的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型建立在一個(gè)關(guān)鍵前提之上：當(dāng)在足夠大的尺度上進(jìn)行平均時(shí)，宇宙在空間上是均勻的，并且向各個(gè)方向看上去都一樣，即具有各向同性和均勻性。這一假設(shè)使得廣義相對(duì)論方程的求解極大簡(jiǎn)化，形成了所謂的“FLRW時(shí)空描述”，也是ΛCDM模型的基礎(chǔ)。然而，近年來(lái)多個(gè)獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)的“張力”，不斷對(duì)這一理想化圖景提出質(zhì)疑，其中最著名的是圍繞宇宙膨脹速率的“哈勃張力”。

在這項(xiàng)新研究中，科研團(tuán)隊(duì)聚焦的則是相對(duì)更少被關(guān)注、但更為基礎(chǔ)的“宇宙偶極異常”。根據(jù)宇宙大爆炸遺留下來(lái)的宇宙微波背景輻射（CMB）觀測(cè)結(jié)果，這一背景輻射在整片天空上極為均勻，溫度起伏僅在十萬(wàn)分之一的量級(jí)，這正是宇宙大尺度各向同性的主要觀測(cè)支撐。但在這種高度均勻之上，天文學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)一個(gè)顯著的“偶極各向異性”信號(hào)：天空一側(cè)略熱、對(duì)面一側(cè)略冷，溫差約為千分之一。

這一CMB偶極信號(hào)本身并不必然違背ΛCDM模型，但按標(biāo)準(zhǔn)理論推算，其他宇宙尺度上的物質(zhì)分布（例如遙遠(yuǎn)的射電星系和類星體）應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出與CMB偶極相對(duì)應(yīng)的變化模式。早在1984年，天文學(xué)家 George Ellis 和 John Baldwin 就提出用極其遙遠(yuǎn)的天體樣本來(lái)檢驗(yàn)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，以避免由本星系團(tuán)等近鄰結(jié)構(gòu)造成的“團(tuán)簇性偶極”假象，這一方法后來(lái)被稱為“Ellis–Baldwin檢驗(yàn)”。

如果宇宙確實(shí)符合對(duì)稱的FLRW假設(shè)，那么物質(zhì)分布的偶極信號(hào)應(yīng)當(dāng)由CMB偶極唯一決定；若兩者不一致，則不僅會(huì)動(dòng)搖ΛCDM模型，也會(huì)直接沖擊FLRW時(shí)空?qǐng)D景本身。由于這一檢驗(yàn)要求極龐大、均勻而精確的天體目錄數(shù)據(jù)，直到近年相應(yīng)觀測(cè)資料才逐步完備，真正嚴(yán)格的檢驗(yàn)才具備現(xiàn)實(shí)可能。

研究團(tuán)隊(duì)的最新分析顯示，宇宙在Ellis–Baldwin檢驗(yàn)中“不及格”：遙遠(yuǎn)天體的空間分布所呈現(xiàn)的物質(zhì)偶極，與CMB偶極在方向上大致一致，但在幅度上明顯不匹配。這一結(jié)論在使用地面射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)和中紅外波段的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)得到了一致印證。由于兩類觀測(cè)在設(shè)備類型、工作波段、系統(tǒng)誤差來(lái)源等方面都有所不同，這種一致性強(qiáng)化了結(jié)論的可信度。

在作者看來(lái)，“宇宙偶極異常”由此成為標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型面前的一大根本性難題，卻在天文界整體討論中長(zhǎng)期不及“哈勃張力”那樣引人注目。原因之一，可能在于這一異常難以通過(guò)對(duì)模型做“小修小補(bǔ)”來(lái)化解，它指向的并不是某個(gè)參數(shù)的微調(diào)誤差，而是要求從根本上放棄FLRW式的高度對(duì)稱時(shí)空描述，相當(dāng)于在宇宙學(xué)理論框架上“從零開(kāi)始”。

盡管如此，研究團(tuán)隊(duì)指出，未來(lái)幾年將有包括歐幾里得（Euclid）、SPHEREx在內(nèi)的多顆新衛(wèi)星，以及維拉·魯賓天文臺(tái)、平方公里陣列（SKA）等新一代大型地面望遠(yuǎn)鏡陸續(xù)投入使用，將以空前的廣度和精度提供海量宇宙觀測(cè)數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)洪流有望在借助機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法的輔助下，為構(gòu)建超越ΛCDM的新宇宙學(xué)模型提供關(guān)鍵線索。

作者認(rèn)為，如果最終證實(shí)宇宙在大尺度上確實(shí)存在“不對(duì)稱性”，其對(duì)基礎(chǔ)物理和人類宇宙觀的沖擊將是“真正巨大”的?，F(xiàn)有理論可能不得不重寫(xiě)，人類對(duì)宇宙整體結(jié)構(gòu)與演化方式的思考，也將面臨一次全面的再出發(fā)。