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宇宙的形状并非我们日常思考的内容，但我与同事发表的一项新研究表明，宇宙可能是不对称或失衡的，即不同方向的性质存在差异。这一结论值得关注吗？当前描述整个宇宙动力学与结构的“标准宇宙学模型”（亦称Λ-CDM模型），其核心假设是宇宙在大尺度上满足各向同性（所有方向看起来一致）与均匀性。然而，数据中存在若干所谓的“张力”（即不一致性），对宇宙均匀性的假设构成了挑战。我们的新论文聚焦于其中最显著的一种张力——宇宙偶极异常，结论指出该异常对Λ-CDM模型这一被广泛接受的宇宙描述构成了严峻挑战。
那么，宇宙偶极异常究竟是什么，为何它对构建详尽的宇宙图景如此关键？我们从宇宙微波背景（CMB）说起，这是大爆炸遗留的遗迹辐射。CMB在天球上的均匀性精度可达十万分之一，因此宇宙学家有信心基于爱因斯坦广义相对论中时空的“最大对称”描述来建模宇宙。这种假设宇宙处处且各方向一致的对称图景，被称为“FLRW度规描述”，它极大简化了爱因斯坦方程的求解，是Λ-CDM模型的基础。
但宇宙中存在若干重要异常，其中广受争议的是哈勃张力。该张力以1929年发现宇宙膨胀的埃德温·哈勃命名，2000年代起从不同数据集（主要来自哈勃空间望远镜，以及近期盖亚卫星的数据）中显现。哈勃张力表现为：早期宇宙膨胀速率的测量结果，与近邻（即晚期）宇宙的测量结果不一致。相比哈勃张力，宇宙偶极异常受到的关注较少，但它对宇宙认知的冲击更为根本。
宇宙偶极异常的具体内容是什么？尽管CMB在大尺度上对称，但人们发现了其遗迹辐射的变化，其中最显著的是CMB偶极各向异性——这是CMB中最大的温度差异，表现为天球一侧较热，另一侧较冷，温差约为千分之一。CMB的这种变化本身并不挑战Λ-CDM模型，但理论上，其他天文数据中应存在对应的变化。
1984年，乔治·埃利斯与约翰·鲍德温提出疑问：遥远天体源（如射电星系、类星体）的天区分布是否存在类似的“偶极各向异性”？这些源必须足够遥远，因为近邻源可能产生虚假的“聚类偶极”。若FLRW的对称宇宙假设成立，遥远天体源的这种变化应直接由观测到的CMB变化决定，这被称为埃利斯-鲍德温检验。CMB与物质分布变化的一致性将支持Λ-CDM模型，而不一...
检验结果显示，宇宙未通过埃利斯-鲍德温检验——物质分布的变化与CMB的变化不匹配。值得注意的是，地面射电望远镜与中红外波段卫星观测均得到相同结果，而两者的误差来源差异显著（包括望远镜与卫星的差异、光谱波段的差异），这增强了结果的可靠性。宇宙偶极异常已成为标准宇宙学模型的重大挑战，尽管天文学界在很大程度上选择忽视它。这或许是因为该问题难以轻易修补：它要求我们不仅放弃Λ-CDM模型，还要抛弃FLRW描述本身，从头开始构建新理论。
不过，未来我们将迎来大量新数据：Euclid、SPHEREx等卫星，以及Vera Rubin天文台、平方公里阵列（SKA）等望远镜都将提供海量观测结果。借助人工智能（AI）子领域机器学习的最新进展，我们有望很快获得构建新宇宙学模型的突破性见解。这将对基础物理学——以及我们对宇宙的认知——产生深远影响。
