从地球出发前往太空,如果旅行的足够遥远,你有可能会回到出发点吗?如果宇宙的形状是球形而非平坦的,那么终有一天你会绕回到地球。在一项发表于《自然天文学》杂志上的最新论文中,研究人员重新分析了普朗克太空望远镜观测到的宇宙微波背景的数据,发现他们的结果支持“宇宙是闭合”的观点。但这一结果并没能说服众人。宇宙是否是平坦的?如果在空间中并排发射两束激光,它们会永远保持平行,那么这就是一个平坦的宇宙。
但如果是闭合的宇宙中,两束光最终会交叉并绕回到原点。根据爱因斯坦的广义相对论,空间本身是可以被质量弯曲的。因此,想要知道宇宙的形状,关键在于测量它的密度。科学家会通过比较宇宙的“临界密度”与实际密度,来推断宇宙的形状:如果宇宙的实际密度大于临界密度,它就包含足够多的质量来最终阻止膨胀。那么这就是一个闭合的宇宙,有一个球形的形状。
如果宇宙的实际密度小于临界密度,就意味着宇宙中没有足够的物质来阻止宇宙的膨胀,宇宙会永远膨胀下去。这就是所谓的开放宇宙,其形状会像马鞍的表面一样弯曲。但如果宇宙恰好包含了足够的质量使膨胀停止,它的实际密度将等于临界密度。这种情况下,宇宙被认为是平坦的。普朗克望远镜是通过测量在过去的138亿年里,当CMB的光穿过宇宙时被偏折的程度来测量宇宙的密度。
这些CMB光子在前往地球的途中遇到的物质越多,就越会受到偏折,因此它们的方向不再能清晰地反映它们在早期宇宙中的起点。这在数据中表现为一种模糊效果,它平滑了光的空间模式中的某些峰值和低谷。根据对CMB的最新分析显示,宇宙的实际密度可能比临界密度大5%,平均每立方米中有6个氢原子,因此引力占据上风,形成闭合的宇宙。