如何看待nature astronomy的一篇论文认为普朗克卫星的数据预示了宇宙可能是闭合的？
普朗克卫星的观测数据一直以来是宇宙学研究的基石，而关于宇宙几何形状的探讨更是其中的重头戏。最近有一篇发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）上的论文，基于对普朗克卫星数据的深入分析，提出了一个引人深思的结论：宇宙可能是闭合的。这与当前主流的“平坦宇宙”模型存在一定的张力，因此值得我们仔细审视其背后的逻辑和潜在影响。
要理解这篇论文的意义，我们首先需要回顾一下宇宙几何形状的概念。在宇宙学中，宇宙的几何形状由其总能量密度决定。根据广义相对论，宇宙可以呈现三种主要的几何形状：
平坦宇宙（Euclidean geometry）： 如果宇宙的总能量密度恰好等于一个临界值，那么宇宙的几何就是平坦的，就像我们熟悉的欧几里得几何一样。在这种情况下，平行线永远平行，三角形内角和为180度。
闭合宇宙（Spherical geometry）： 如果宇宙的总能量密度大于临界值，那么宇宙就会呈现闭合的几何形状，类似于一个三维球体的表面。在这种情况下，平行线最终会相交，三角形内角和大于180度。
开放宇宙（Hyperbolic geometry）： 如果宇宙的总能量密度小于临界值，那么宇宙就会呈现开放的几何形状，类似于一个马鞍的表面。在这种情况下，平行线最终会发散，三角形内角和小于180度。
判断宇宙的几何形状，最直接的证据来源于宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB 是大爆炸后约38万年时留下的余晖，它携带着宇宙早期状态的丰富信息。CMB 的温度涨落，特别是其角功率谱（angular power spectrum），对于宇宙的几何形状非常敏感。简单来说，CMB 中不同尺度上的温度涨落的分布模式，就像是宇宙早期“婴儿照片”上的一些“特征”，这些特征的“大小”和“位置”会受到宇宙几何的深刻影响。
普朗克卫星是迄今为止观测CMB精度最高的卫星之一。它以前所未有的精度测量了CMB 的温度和偏振，为我们勾勒出了宇宙非常精确的“肖像”。根据普朗克卫星之前的观测结果，结合其他宇宙学观测（如重子声波振荡、超新星等），主流的宇宙学模型（ΛCDM模型）普遍倾向于一个非常接近平坦的宇宙，其几何曲率（通常用$Omega_k$表示，$Omega_k = 0$代表平坦）非常接近零。
那么，这篇新论文是如何得出“宇宙可能是闭合的”这一结论的呢？论文作者们很可能是在对普朗克卫星的最新数据进行更精细的分析时，发现了一些与平坦宇宙模型不完全吻合的细节。通常，这类研究会重点关注CMB 角功率谱中的某些特定特征，例如：
1. 声学峰值（Acoustic peaks）： CMB 角功率谱中有几个主要的峰，它们反映了宇宙早期物质和辐射的声学振荡。宇宙几何形状会影响这些峰的位置和高度。平坦宇宙和非平坦宇宙在这方面的差异是微妙但关键的。
2. 高阶矩（Higherorder moments）： 除了温度涨落的方差（即功率谱），CMB 的偏度和峰度等高阶矩信息也能提供额外的约束。这些信息可能对宇宙的几何形状有更敏感的探测能力。
3. 宇宙学参数的联合拟合： 通常，宇宙的几何形状并不是孤立地进行拟合的，而是与其他的宇宙学参数（如哈勃常数 $H_0$、物质密度 $Omega_m$、暗能量密度 $Omega_Lambda$、光子密度 $Omega_gamma$、中微子密度 $Omega_ u$ 等）一起进行联合拟合。在某些拟合方案中，即使其他参数都被很好地约束了，几何参数 $Omega_k$ 也可能出现一个与零有微小偏差的数值，并且这个偏差在统计学上可能达到一定的显著性水平。
如果这篇论文得出的结论是宇宙可能“闭合的”，那么这意味着在拟合普朗克数据的过程中，几何曲率参数 $Omega_k$ 的最佳拟合值可能略大于零（对应闭合宇宙）。而且，作者可能通过统计分析，给出了一个置信区间，表明这个“大于零”的数值在统计上具有一定的显著性，也就是说，这种偏差不太可能是随机涨落造成的。
这带来的潜在影响是巨大的：
对现有宇宙学模型的挑战： 如果宇宙确实是闭合的，那么现有的 ΛCDM 模型，尤其是其关于平坦宇宙的假设，就需要被重新审视。这可能意味着我们需要在 ΛCDM 模型中引入新的物理成分，或者修改模型中的某些基本假设。
对宇宙终极命运的启示： 宇宙的几何形状与其最终的命运息息相关。闭合宇宙在理论上意味着宇宙会因为自身引力而最终停止膨胀，并可能开始收缩，走向“大挤压”（Big Crunch）。而平坦宇宙或开放宇宙则意味着宇宙将无限膨胀下去。如果宇宙是闭合的，这将彻底改变我们对宇宙终极命运的认知。
对暗能量性质的推测： 宇宙的几何形状受到总能量密度的影响，而总能量密度主要由普通物质、暗物质和暗能量贡献。如果宇宙的几何形状不是平坦的，这可能暗示着我们对暗能量的理解不够完整，或者暗能量的性质与我们当前模型中的描述有所不同。
需要进一步的观测验证： 科学的进步需要独立观测的证实。如果这篇论文的结论具有重要意义，那么其他独立的宇宙学观测（例如基于引力透镜、星系团统计、甚至未来更精密的 CMB 实验）将需要去验证这个结论。如果多个不同的观测手段都指向宇宙几何的非平坦性，那么这一发现的可信度将大大提高。
当然，在解读这类研究时，也需要保持审慎的态度。宇宙学参数的测量往往伴随着系统误差和统计不确定性。论文作者很可能已经仔细考虑并量化了这些不确定性。然而，在科学界，“接近零”和“精确零”之间的细微差别往往需要非常强大的证据来支持。即使这篇论文发现的偏差在统计学上具有一定的显著性，也需要时间来接受是否是“新物理”的信号，还是由于数据处理、模型选择或未考虑到的系统误差所致。
总而言之，一篇基于普朗克数据提出宇宙可能闭合的论文，无疑是当前宇宙学领域的一则重磅消息。它挑战了我们习以为常的平坦宇宙图景，并可能促使我们更深入地反思宇宙的构成、演化以及终极命运。这正是科学探索的魅力所在——不断质疑和检验现有的知识，以期获得更接近真实的宇宙图景。接下来，我们期待更多的研究和观测来进一步澄清宇宙的真实几何形状。
要理解这篇论文的意义，我们首先需要回顾一下宇宙几何形状的概念。在宇宙学中，宇宙的几何形状由其总能量密度决定。根据广义相对论，宇宙可以呈现三种主要的几何形状：
平坦宇宙（Euclidean geometry）： 如果宇宙的总能量密度恰好等于一个临界值，那么宇宙的几何就是平坦的，就像我们熟悉的欧几里得几何一样。在这种情况下，平行线永远平行，三角形内角和为180度。
闭合宇宙（Spherical geometry）： 如果宇宙的总能量密度大于临界值，那么宇宙就会呈现闭合的几何形状，类似于一个三维球体的表面。在这种情况下，平行线最终会相交，三角形内角和大于180度。
开放宇宙（Hyperbolic geometry）： 如果宇宙的总能量密度小于临界值，那么宇宙就会呈现开放的几何形状，类似于一个马鞍的表面。在这种情况下，平行线最终会发散，三角形内角和小于180度。
判断宇宙的几何形状，最直接的证据来源于宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB 是大爆炸后约38万年时留下的余晖，它携带着宇宙早期状态的丰富信息。CMB 的温度涨落，特别是其角功率谱（angular power spectrum），对于宇宙的几何形状非常敏感。简单来说，CMB 中不同尺度上的温度涨落的分布模式，就像是宇宙早期“婴儿照片”上的一些“特征”，这些特征的“大小”和“位置”会受到宇宙几何的深刻影响。
普朗克卫星是迄今为止观测CMB精度最高的卫星之一。它以前所未有的精度测量了CMB 的温度和偏振，为我们勾勒出了宇宙非常精确的“肖像”。根据普朗克卫星之前的观测结果，结合其他宇宙学观测（如重子声波振荡、超新星等），主流的宇宙学模型（ΛCDM模型）普遍倾向于一个非常接近平坦的宇宙，其几何曲率（通常用$Omega_k$表示，$Omega_k = 0$代表平坦）非常接近零。
那么，这篇新论文是如何得出“宇宙可能是闭合的”这一结论的呢？论文作者们很可能是在对普朗克卫星的最新数据进行更精细的分析时，发现了一些与平坦宇宙模型不完全吻合的细节。通常，这类研究会重点关注CMB 角功率谱中的某些特定特征，例如：
1. 声学峰值（Acoustic peaks）： CMB 角功率谱中有几个主要的峰，它们反映了宇宙早期物质和辐射的声学振荡。宇宙几何形状会影响这些峰的位置和高度。平坦宇宙和非平坦宇宙在这方面的差异是微妙但关键的。
2. 高阶矩（Higherorder moments）： 除了温度涨落的方差（即功率谱），CMB 的偏度和峰度等高阶矩信息也能提供额外的约束。这些信息可能对宇宙的几何形状有更敏感的探测能力。
3. 宇宙学参数的联合拟合： 通常，宇宙的几何形状并不是孤立地进行拟合的，而是与其他的宇宙学参数（如哈勃常数 $H_0$、物质密度 $Omega_m$、暗能量密度 $Omega_Lambda$、光子密度 $Omega_gamma$、中微子密度 $Omega_ u$ 等）一起进行联合拟合。在某些拟合方案中，即使其他参数都被很好地约束了，几何参数 $Omega_k$ 也可能出现一个与零有微小偏差的数值，并且这个偏差在统计学上可能达到一定的显著性水平。
如果这篇论文得出的结论是宇宙可能“闭合的”，那么这意味着在拟合普朗克数据的过程中，几何曲率参数 $Omega_k$ 的最佳拟合值可能略大于零（对应闭合宇宙）。而且，作者可能通过统计分析，给出了一个置信区间，表明这个“大于零”的数值在统计上具有一定的显著性，也就是说，这种偏差不太可能是随机涨落造成的。
这带来的潜在影响是巨大的：
对现有宇宙学模型的挑战： 如果宇宙确实是闭合的，那么现有的 ΛCDM 模型，尤其是其关于平坦宇宙的假设，就需要被重新审视。这可能意味着我们需要在 ΛCDM 模型中引入新的物理成分，或者修改模型中的某些基本假设。
对宇宙终极命运的启示： 宇宙的几何形状与其最终的命运息息相关。闭合宇宙在理论上意味着宇宙会因为自身引力而最终停止膨胀，并可能开始收缩，走向“大挤压”（Big Crunch）。而平坦宇宙或开放宇宙则意味着宇宙将无限膨胀下去。如果宇宙是闭合的，这将彻底改变我们对宇宙终极命运的认知。
对暗能量性质的推测： 宇宙的几何形状受到总能量密度的影响，而总能量密度主要由普通物质、暗物质和暗能量贡献。如果宇宙的几何形状不是平坦的，这可能暗示着我们对暗能量的理解不够完整，或者暗能量的性质与我们当前模型中的描述有所不同。
需要进一步的观测验证： 科学的进步需要独立观测的证实。如果这篇论文的结论具有重要意义，那么其他独立的宇宙学观测（例如基于引力透镜、星系团统计、甚至未来更精密的 CMB 实验）将需要去验证这个结论。如果多个不同的观测手段都指向宇宙几何的非平坦性，那么这一发现的可信度将大大提高。
当然，在解读这类研究时，也需要保持审慎的态度。宇宙学参数的测量往往伴随着系统误差和统计不确定性。论文作者很可能已经仔细考虑并量化了这些不确定性。然而，在科学界，“接近零”和“精确零”之间的细微差别往往需要非常强大的证据来支持。即使这篇论文发现的偏差在统计学上具有一定的显著性，也需要时间来接受是否是“新物理”的信号，还是由于数据处理、模型选择或未考虑到的系统误差所致。
总而言之，一篇基于普朗克数据提出宇宙可能闭合的论文，无疑是当前宇宙学领域的一则重磅消息。它挑战了我们习以为常的平坦宇宙图景，并可能促使我们更深入地反思宇宙的构成、演化以及终极命运。这正是科学探索的魅力所在——不断质疑和检验现有的知识，以期获得更接近真实的宇宙图景。接下来，我们期待更多的研究和观测来进一步澄清宇宙的真实几何形状。
网友意见
该论文是认为宇宙空间有99%几率是封闭的三维球面。
题目提到的是曼彻斯特大学的埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺 （Eleonora Di valentino）、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔奇奥（Alessandro Melchiorri ）和牛津大学的约瑟夫·西尔克（Joseph Silk）发表于《自然·天文学》的这篇论文：
该论文分析了普朗克卫星对138亿年间宇宙微波背景辐射“引力透镜化”程度的测量数据，推算宇宙的平均密度。
宇宙微波背景辐射的光子在飞向地球附近的过程中遇到的物质越多，它们的方向就越来越无法清晰反映它们在早期宇宙中的发射点，在卫星观测数据中会呈现模糊的效果。
他们计算出宇宙的平均密度可能比临界密度（每立方米5.7个质子质量）高5%，进而得出整个宇宙空间（而不是可观测宇宙）有99%的几率是封闭三维球面。
而在此之前，基于WMAP卫星对宇宙微波背景辐射的观测结果，以及2013年普朗克卫星的第一批数据，物理学家建立了名为LAMDA-CDM的宇宙学标准模型。在那个模型中，宇宙是平坦的。
封闭宇宙对宇宙未来发展的意义之一是支持庞加莱回归，但这个论文的结论并非绝对：
1.宇宙临界密度的计算依赖于对哈勃常数的测量，而目前哈勃常数还是测不准，不同方法得出的结果有明显差异，宇宙平均密度的临界线是未完全确定的。目前正在智利建造的西蒙斯天文台，和中国西藏的阿里宇宙微波背景辐射偏振探测器，可以在将来提供更精确的测量数据。
2.即使宇宙空间是封闭的，加速膨胀仍然可能导致狂野的大撕裂而迫使我们需要等待接近量子真空的宇宙空间里再次涌现宇宙。
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