如果宇宙学领域最大的假设之一是错误的，将会怎样？新研究表明，宇宙可能并不像科学家长期认为的那样在各个方向上完全均匀。一种被称为“宇宙偶极异常”的令人困惑的差异显示，遥远星系和类星体的分布与大爆炸残留辉光中观测到的模式并不一致。如果得到证实，这一差异可能会动摇宇宙学标准模型的基础，并迫使研究人员从根本上重新思考宇宙的结构方式。
我们应该关注这个问题吗？今天的“标准宇宙学模型”——描述整个宇宙动力学和结构的模型——完全建立在宇宙是各向同性（各个方向看起来相同）且在大尺度上平均是均匀的假设之上。
但是，几个所谓的“张力”——即数据中的分歧——对这种均匀宇宙的观点提出了挑战。
我们刚刚发表了一篇论文，研究了这些张力中最重要的一种，称为宇宙偶极异常。我们的结论是，宇宙偶极异常对目前最广泛接受的宇宙描述——标准宇宙学模型（也称为Lambda-CDM模型）——构成了严峻挑战。
那么，什么是宇宙偶极异常，为什么它对于试图详细描述宇宙的努力来说是一个如此棘手的问题？
让我们从宇宙微波背景（CMB）开始，它是大爆炸留下的残留辐射。CMB在整个天空上是均匀的，差异仅在十万分之一以内。
因此，宇宙学家有信心利用爱因斯坦广义相对论中对时空的“最大对称”描述来模拟宇宙。这种对宇宙的对称视角，即宇宙在任何地方和任何方向看起来都一样，被称为“FLRW描述”。
这极大地简化了爱因斯坦方程的求解，也是Lambda-CDM模型的基础。
但是存在几个重要的异常，包括一个被广泛争论的称为“哈勃张力”的异常。它以埃德温·哈勃的名字命名，他被认为在1929年发现了宇宙正在膨胀。
这种张力始于2000年代从不同数据集中显现出来，主要来自哈勃太空望远镜，以及最近来自盖亚卫星的数据。这种张力是一种宇宙学分歧，即从宇宙早期测量的宇宙膨胀率与从附近（较近时期）宇宙测量的结果不匹配。
宇宙偶极异常受到的关注远少于哈勃张力，但它对我们理解宇宙来说更为根本。那么它是什么呢？
既然已经确定宇宙微波背景在大尺度上是对称的，人们也发现了这种大爆炸残留辐射中的变化。其中最重要的一种被称为CMB偶极各向异性。这是CMB中最大的温度差异，天空的一侧较热，另一侧较冷——差异约为千分之一。这被认为是由于太阳系的本地运动造成的。
因此，它并不挑战宇宙的Lambda-CDM模型。但我们应该在其他天文数据中找到相应的变化。
1984年，George Ellis和John Baldwin提出疑问，在遥远的天体源（如射电星系和类星体）的天空分布中，是否存在类似的变化或“偶极各向异性”。这些源必须非常遥远，因为附近的源可能会产生虚假的“聚类偶极”。
如果“对称宇宙”的FLRW假设是正确的，那么遥远天体源中的这种变化应该直接由观测到的CMB变化决定。这被称为Ellis-Baldwin检验，以这两位天文学家的名字命名。
CMB和物质变化的致性将支持标准的Lambda-CDM模型。不一致将直接挑战该模型，甚至挑战FLRW描述本身。因为这是一个非常精确的检验，执行它所需的数据目录直到最近才可用。
结果表明，宇宙未能通过Ellis-Baldwin检验。物质的变化与CMB中的变化不匹配。由于望远镜和卫星的潜在误差源截然不同，且光谱中的不同波长也不同，地面射电望远镜和在中红外波长观测的卫星得出了相同的结果，这一点令人欣慰。
因此，宇宙偶极异常已成为标准宇宙学模型的主要挑战，尽管天文学界在很大程度上选择忽视它。
这可能是因为没有简单的方法来修补这个问题。它不仅要求放弃Lambda-CDM模型，还要求放弃FLRW描述本身，回到原点。
然而，预计来自欧几里得和SPHEREx等新卫星，以及维拉·鲁宾天文台和平方公里阵列等望远镜的海量数据。可以想象，利用人工智能（AI）的一个子集——机器学习——的最新进展，我们可能很快就会获得关于如何构建新宇宙学模型的大胆新见解。
这对基础物理学——以及我们对宇宙的理解——的影响将是巨大的。