[비즈한국] “For the brave sky-travellers, maps of the celestial bodies(为了勇敢的星空旅行者，必须绘制天体的地图)。”
这是开普勒在1610年写给天文学家伽利略的一封信中提到的。开普勒认为，在遥远的未来，人类终将制造出能够往返于恒星之间的船只与帆。他认为，在那一天到来之前，必须提前准备好月球和木星的地图。开普勒坚信，他和伽利略对夜空的研究，不仅是为了揭开宇宙的神秘面纱，更是为了绘制一幅通往人类更广阔未来的蓝图。
如今，我们绘制的不再是地球或太阳系的地图，而是整个宇宙的地图。其中填充了数不清的星系。而每一幅新绘制的地图，都会引导我们走向那些完全意想不到的陌生发现。
很久以前，人类曾以为地球是一个平坦的世界。但地球其实是一个巨大的球体。因此，在绘制地球地图时，总会产生棘手的问题。因为要把具有曲率的地球画在平坦的纸上，总会产生意想不到的变形。
有趣的是，曲率不仅对地球来说是个令人头疼的问题，对整个宇宙而言也是如此。首先，我们需要明确宇宙时空所说的“曲率”究竟是什么。
曲率是指宇宙的几何学。宇宙的几何学与宇宙的形状是不同的概念。宇宙的形状是指宇宙整体呈现球形、甜甜圈形还是粪便形。关于宇宙的形状，我们可以有各种天马行空的想象。这只是从全知全能的观察者视角从宇宙外部观看时，对其形状的描述。然而，在天体物理学中，更有意义的不是宇宙的形状，而是几何学。与可以随心所欲想象的形状不同，宇宙的几何学只有三种可能：平坦、封闭或开放。
判断时空的曲率，只需画出平行线即可。在平坦的宇宙中，平行线将永远保持平行，绝不会相交。在封闭的宇宙中，平行线最终会交叉；而在开放的宇宙中，两条平行线之间的间距会逐渐变宽。同理，如果我们想知道宇宙的曲率，只需在宇宙空间中画出无数平行的线条。最好的工具是光。光总是直线传播。光的路径之所以弯曲，是因为光所传播的空间本身发生了弯曲。因此，沿着光在宇宙空间传播的路径前进，就能知道宇宙的曲率弯曲到了什么程度，以及宇宙有多么平坦。
如果宇宙只有极其轻微的曲率，仅仅画几公里的平行线是很难发现的。必须延伸更长的距离，才能知道那些平行线最终是否会相交，还是永远不会触碰。因此，我们需要追踪那些在宇宙中飞行了极长距离的光束。这里有一种最好的光。事实上，这是自宇宙大爆炸后、太初之光开始扩散以来，一直飞行至今、也是最古老且源自最遥远距离的光——宇宙微波背景辐射（CMB）。
这是大爆炸后不久，炽热且密度极高的宇宙在膨胀过程中充分冷却并变得透明时，开始散发出来的太初之光。在大爆炸后约38万年，宇宙温度降至3000度以下时，太初的光束开始穿透初期宇宙那稠密的原生粒子汤向外扩散。经过漫长的岁月，热量均匀冷却，变成了弥漫在整个宇宙中的微弱背景辐射。
这种光从天空的各个方向射向我们。它在宇宙的每一个角落同时释放，并同时扩散。因此乍一看，宇宙微波背景辐射看起来是完美且均匀的。绝对温度2.7K的微弱热量分布得非常平滑。直到2000年代，人们一直这样认为。但是，随着宇宙望远镜升空对大爆炸的余热进行观测，人们发现看起来平滑的宇宙微波背景辐射中，存在着极微小的起伏波动。这种波动的尺度非常小，仅为十万分之一度左右。那些细微的波动在宇宙微波背景辐射的地图上表现为大大小小的斑点。
宇宙微波背景辐射的斑点大小会随宇宙曲率的变化而改变。如果宇宙是平坦的，从宇宙边缘出发的光束在138亿年的时间里会一直保持平行，斑点大小也不会改变。如果是封闭的宇宙，光束最终会汇聚相交。因为我们是反向推算这些光，所以看起来斑点比实际要大。相反，如果是开放的宇宙，原本平行的两条光束会越来越远。同样，因为反向推算，我们会觉得斑点比实际要小。利用这一原理，通过宇宙微波背景辐射的斑点分布，就能判断宇宙的曲率是平坦的、开放的还是封闭的。
从2000年代升空的WMAP开始，宇宙微波背景辐射开始给出宇宙实际上是平坦的结论。尽管进行了长达9年的观测，宇宙微波背景辐射地图依然显示宇宙是平坦的。然而，2009年继其之后升空的普朗克卫星（Planck）引发了关于宇宙曲率的争议。与WMAP相比，普朗克卫星的分辨率提高了近三倍。它可以观察到更小尺度的波动。由于用更敏锐的眼睛绘制了宇宙微波背景辐射地图，过去无需在意的细微效应也变得需要被考虑。
宇宙各处沉重的星系团也会使周围的时空弯曲。当宇宙微波背景辐射的光从宇宙尽头射向我们时，途经大大小小的星系团会导致光线路径弯曲。这就产生了由星系团引起的局部引力透镜效应。当然，与整个宇宙的时空效应相比，这种效应非常小。但是，对于普朗克那般敏锐的眼睛来说，足以捕捉到这些效应。令人惊慌的是，普朗克绘制的宇宙微波背景辐射地图上，出现了比预期更多的引力透镜痕迹。在原本认为应该平坦的宇宙中，意外地存在着许多时空扭曲的痕迹。这被称为“普朗克透镜异常”（Planck lensing anomaly）。
甚至一些天文学家认为，这或许是实际宇宙并非绝对平坦的证据。事实上，这可能是因为宇宙是微小的封闭宇宙。当然，在其他观测中，如绘制宇宙各处星系空间分布图的DESI、SDSS等观测，宇宙看起来依然是平坦的。因此，很难断定宇宙到底是平坦还是封闭的。或许宇宙确实是平坦的，只是产生引力透镜的星系团数量比预想的要多。
最近，一项利用地面大型射电望远镜耗时6年完成的宇宙全天微波背景辐射地图得出了新的结果。科学家使用了位于智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（Atacama Cosmology Telescope, ACT）。通过这座矗立在海拔5000米高处的望远镜，研究人员精确观测了宇宙微波背景辐射光的偏振。即使与普朗克相比，观测清晰度也提高了整整三倍。偏振揭示了光波振动的方向。宇宙曲率也会在宇宙微波背景辐射光的偏振中留下痕迹。星系团的引力透镜不仅会扭曲光线路径，还会扭曲光的振动方向。观测这种扭曲程度，就能知道整个宇宙中引力透镜发生的频率和强度。将这些效应剔除后，就能保留宇宙自身曲率的效应。
ACT的最新观测结果显示，宇宙近乎完美地平坦。普朗克发现的、看起来异常丰富的引力透镜痕迹全都干净利落地消失了。在普朗克眼中似乎带有封闭曲率的宇宙，在ACT眼中看起来是完美平坦的。很久以前，人类曾为地球是平坦还是圆的、到底该如何绘制地球地图而苦恼，直到今天，我们依然在为宇宙是平坦还是圆的而苦恼，铺开着那张尚未填满的宇宙地图。
天文学界将这场围绕宇宙曲率和几何学的意外争论称为“曲率张力”（curvature tension）。天文学中存在多种争论。如哈勃张力、暗能量张力等……曲率张力也是其中之一。正如其他张力一样，尽管我们生活在同一个宇宙中，但根据观测方式和工具的不同，宇宙有时看起来微弱地封闭，有时又显得完美平坦。我们尚不知道这两者中是否有一方在不经意间说了谎。
但这里有一个不容忽视的事实。ACT终究是一台地面望远镜。从地面上固定的某一个点所能看到的天空范围是有限的。无论如何最大程度地扫视，ACT也只能观察到以南半球为中心的、天空总面积的40%。相反，普朗克是一台升入太空的望远镜。因此，它可以通过不断旋转姿态，从宇宙的各个方向绘制宇宙微波背景辐射地图。
如果是这样，我们还可以做出更具戏剧性的想象。也许仅仅在ACT瞄准的南半球天空中，宇宙的曲率是平坦的，而从整个宇宙来看，它可能是封闭的。这可能成为对“宇宙各向同性”的又一挑战——即宇宙不仅平坦，而且在各个方向上看起来都一样。因为这得出了一个更具冲击力的结论：根据观察宇宙的方向，不仅宇宙大尺度结构的分布和形状会改变，连宇宙的几何学本身也可能随之改变。
地图的作用不仅仅停留在让我们轻松观赏所处世界的风景上。最终，绘制地图最重要的原因，是为我们指引通往目的地的方向。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/063
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
作者 Ji Woong-bae 是谁？他热爱猫与宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，便立志要向世人传播宇宙之美。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，积极从事演讲、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用之处》、《我们都是天文学家》、《看到宇宙时浮现的奇怪问题》等书，并翻译了《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。