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这篇论文由东北大学的祁京兆和张馨撰写，介绍了最近发表在《自然·天文学:普朗克CMB观测到的封闭宇宙的新证据》上的结果。这一结果进一步恶化了宇宙学观测的不一致性，引起了广泛的关注和讨论。

然而，近年来，宇宙学也遇到了非常严峻的挑战。主要挑战来自于对早期宇宙的观测和对后期宇宙的观测之间明显的不一致，比如著名的哈勃常数测量和物质密度涨落幅度的不一致[2，3]。目前，哈勃常数测量的不一致性已经被认为是当前宇宙学的一个危机[4~9]。

利用普朗克卫星测量CMB的温度功率谱，可以精确地限定CDM模型的参数，从而得到一个哈勃常数的测量值，精度约为千分之七。然而，这种测量哈勃常数的方法是依赖于模型的方法。

利用距离梯测量相邻宇宙间的距离，结合哈勃定律测量哈勃常数的方法，是一种与模型无关的测量方法。目前可以获得精度在2%左右的哈勃常数测量值。

但问题是，这两种方法得到的哈勃常数值明显不一致。前者的高红移测量结果导致较小的哈勃常数，而后者的低红移测量结果导致较大的值。两种方法的不一致性目前高达4.4个标准差这个问题给普朗克的观测带来一些麻烦。扩展宇宙学模型可以在一定程度上缓解这个问题，因为al与一些扩展宇宙学参数(如空之间的曲率、暗能量参数和中微子质量等)之间存在简并性。) [1].。

2019年11月4日，《自然·天文学》在线发表了一篇题为《封闭宇宙的普朗克证据和宇宙学可能的危机》的文章Di Valentino等人[11]用普朗克温度和极化功率谱限制曲率在空之间的CDM模型，得到了一个3.4标准差置信度的封闭宇宙。因为曲率参数ω k与透镜自洽参数AL正相关，在封闭宇宙中(ω k，作者分别是英国曼彻斯特大学的埃莉诺拉·迪·瓦伦蒂诺、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔基奥利和英国牛津大学的约瑟夫·西尔克。他们报告了通过普朗克CMB观测获得的封闭宇宙的新证据。这一结果进一步恶化了宇宙学观测的不一致性，引起了广泛的关注和进一步的讨论。

宇宙微波背景辐射的光子需要穿过几乎整个哈勃空间才能到达我们这里。在它们飞行的过程中，会遇到很多成团的物质，这些物质的引力势会使CMB光子的路径发生偏转，这就是CMB的引力透镜。

CMB透镜电势的功率谱可以用CMB四点函数测量，精度约为2.6%。而CDM模型通过普朗克温度功率谱限制预测的CMB透镜功率谱与普朗克卫星测量的透镜功率谱在一定程度上是不一致的。理论上，CDM模型预言其透镜自洽参数AL=1，但普朗克温度功率谱给AL >的置信度约为3个标准差:1，预言了CMB透镜的大振幅，这与普朗克四点函数透镜的测量明显不符[1]。

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必须指出，这个结果在本文之前是一个已知的结果，在参考文献[1]中已经讨论过。Di Valentino等人[11]的主要工作在于对这一结果的一些其他观察到的结果进行一系列测试。他们的测试结果表明，基于封闭宇宙CDM模型，普朗克CMB功率谱测量与其他低红移观测的不一致性更加严重。例如，哈勃常数距离步测量和宇宙切变测量之间的不一致性增加了大约48%，不一致性从大约2.3个标准差增加到超过3.5个标准差。

这项研究试图告诉我们空之间的平坦宇宙学模型低估了当前宇宙学观测的不一致性；如果我们相信封闭宇宙的拟合结果(只用普朗克CMB功率谱)，那么宇宙学的危机会更严重。

对宇宙微波背景辐射各向异性的测量达到了前所未有的精度，为一些宇宙学参数提供了非常精确的极限(比如声学角标度的极限精度已经达到了万分之三)，把我们带入了精确宇宙学时代。但CMB的观测是对早期宇宙的观测，很难精确限定后期物理的参数，比如暗能量。对于扩展宇宙学模型，CMB限制通常会导致强参数简并，一般需要后期(低红移)观测来打破参数简并。因此，有必要进一步发展CMB以外的精确宇宙学探针。早期和晚期宇宙观测之间的一些不一致也促使我们开发新的独立于光学观测的宇宙探测器。

引力波的观测为人类观察宇宙打开了新的窗口[12~16]。引力波携带了光度距离的信息，因此可以为宇宙学观测提供“标准哨”。双中子星的引力波-电磁波多信使观测可以独立测量哈勃常数，未来哈勃常数的不一致性可以得到有效的统治(目前GW170817只有一次观测事件，哈勃常数的测量精度只有15%左右)[17，18]。

未来的引力波“标准哨”观测可以极其有效地打破当前观测形成的参数简并，将在宇宙学参数测量中发挥重要作用[19~21]。此外，中性氢21 cm巡天的发展也将极大地促进宇宙学的发展[22~26]。简而言之，随着新观测方法的发展，宇宙学目前的危机最终将得到解决，不同观测方法(光学、红外、无线电、引力波)的结合将能够在未来精确测量各种宇宙学参数，为基本的宇宙学问题提供真正的答案。

参考资料(向下滑动查看全部)

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原始信息

祁京兆，张馨人。封闭宇宙和宇宙学危机的新观测证据。科学通报，2019，64(36): 773-3775

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