DESI并非寻找标准模型的裂缝，但它的星系图做到了。

在最大尺度上，宇宙应该是完全均匀的——平滑、同质、没有偏好方向，无论从哪个观测点看统计上都是同样的天空。这一假设被称为宇宙学原理，是所有现代宇宙学模型的基石。一项发表于《Nature》的对暗能量光谱仪（DESI）数据的新分析，正在对这一假设构成严峻挑战。

研究人员Marco Galoppo和Francesco Sylos Labini在DESI数据集中研究了星系对之间的相互指向。他们发现的并非随机性：星系对沿着延伸数十亿光年的相干纤维状结构和星系墙排列。在标准模型预测物质分布应融入均匀性的尺度上，DESI的天空反而呈现出结构——随距离增大也不会减弱的方向性模式。

与理论的对比十分鲜明。当研究团队将同样的测量应用于基于Lambda冷暗物质（ΛCDM）模型——将暗物质、暗能量和普通物质整合为迄今最成功的宇宙演化图景——的模拟宇宙时，模拟产生的方向信号远弱于真实天空所呈现的。研究者写道，该模型的物理机制没有为大爆炸后形成如此巨大的结构留出足够时间。

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DESI如何测量宇宙

位于亚利桑那州Kitt Peak国家天文台的DESI配备了5000根机器人光纤，可同时捕获数千个星系的光谱。通过测量每个星系的红移——宇宙膨胀对光的拉伸——DESI重建了数百万天体的三维位置。该仪器设计用于绘制暗能量对宇宙膨胀影响的图谱，但记录宇宙加速的同一数据集也编码了宇宙的大尺度几何信息。

Galoppo和Sylos Labini应用了一种成熟的统计方法：测量在与其他星系的给定距离和方向处找到星系的概率。如果宇宙学原理成立，这些概率在大尺度上不应依赖于方向——星系分布应是各向同性的。在DESI当前的数据发布中，方向信号持续存在，即使在最大可观测分离距离处也未稀释。

数据真正揭示了什么

这些结构并非熟悉的小尺度宇宙网纤维——那些连接星系团、自1980年代以来被现代巡天仪器绘制的物质接触带。那些纤维跨越数千万至数亿光年，在标准模拟能再现的范围之内。DESI揭示的似乎是质上更大尺度的方向一致性：在理论预测结构应瓦解的尺度的100倍以上距离处仍然保持的排列。

作为参照：银河系的直径约为10万光年。DESI数据中可见的结构比我们自己的星系大数万倍。

Lambda-CDM模拟——整合了引力、暗物质粒子行为和原始宇宙条件的最佳物理学——在这些尺度上产生的纤维排列远弱于观测结果。作者直接指出了这一差异：在模型所描述的引力和膨胀动力学下，如此巨大的结构没有足够时间形成。

这项研究没有确立什么

宇宙学原理是现代物理学中被检验最充分、最受支持的假设之一。四十年来数十项独立巡天在不同尺度上对其进行了测试，均未发现统计显著的违反。因此，DESI结果并非简单的颠覆——它是一个需要来自其他仪器和分析团队的独立确认的张力，然后宇宙学家才会考虑修正其模型。

作者对这一谨慎态度直言不讳。他们写道，下一步是测量而非推测：DESI的完整数据集（巡天仍在进行中，将大幅增长）和ESA欧几里得空间望远镜的独立绘图将为研究者提供机会，检验信号在更多数据下是增强、减弱还是消失。大型巡天中的统计涨落可能产生在审查下消失的表观结构。独立复现是宇宙学原理涉嫌违反被视为成立之前的标准要求。

关于宇宙学原理究竟可以在多大程度上被测试，学界内部也存在方法论争论：可观测宇宙是有限的，在数学上结构可能在过大而无法观测的尺度上变得均匀。过去各向异性主张的批评者反复表明，当统计分析更严格地应用或选择效应被考虑时，表观的大尺度模式会瓦解。

如果发现得到证实，什么会改变

如果独立分析证实了DESI所显示的内容，对宇宙学的影响将不容小觑。宇宙学原理不是单个方程，而是嵌入连接观测与理论的整个数学框架中的承重假设。挑战它需要物理学家追问具体什么出了问题：大尺度上暗物质的行为是否与标准模型的假设不同？引力在数十亿光年的分离距离上是否表现不同？早期宇宙是否携带着当前模型消除过快的各向异性印记？

Galoppo和Sylos Labini认为，这一发现可能暗示暗物质具有意想不到的大尺度相互作用方式，或暗示允许比ΛCDM更多不均匀性的宇宙学模型。这两者都不是微小的修正。

关于宇宙学原理的常见问题

宇宙学原理是什么？

宇宙学原理是一个假设，认为当在数亿光年或更大尺度上观测时，宇宙是均质的（物质平均均匀分布）和各向同性的（从各方向看起来相同）。自1920年代Albert Einstein的广义相对论首次应用于整个宇宙以来，它一直是现代宇宙学模型的基石。

宇宙学原理以前受到过挑战吗？

是的。过去十年的多项研究报告了大尺度结构或方向信号，看似与完全各向同性不一致——包括CMB数据中所谓的”邪恶轴”、宇宙偶极子异常，以及现在的DESI星系排列结果。迄今为止，还没有任何一项被确认为明确的违反；每项都面临方法论争议和复现要求。

DESI是什么，它与以前的巡天有何不同？

DESI是迄今建造的最强大的光谱巡天仪器，能够同时捕获5000个星系的光谱。它的数据覆盖的体积远大于SDSS等早期巡天，这就是为什么它能够在以前统计上无法企及的尺度上探测宇宙学原理。

这可能是统计假象吗？

有可能。大型巡天可能通过选择效应、不完整的天空覆盖或统计涨落产生表观排列。作者承认这一点并呼吁验证。完整的DESI数据集和欧几里得的独立天空图将提供检验。

下一次重大DESI数据发布预计于2026年底进行。欧几里得于2023年开始宽场巡天，将在六年任务期间制作覆盖三分之一天空的星系图。如果Galoppo和Sylos Labini报告的纤维状结构在那次审查中存活下来，一个指引了一个世纪宇宙学思维的领域将面临其最严峻的经验性挑战。

参考资料：Galoppo M. & Sylos Labini F., “Directional correlations in DESI galaxy pairs challenge the cosmological principle”, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10702-5

标签: cosmological principle, Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI, Francesco Sylos Labini, galaxy filaments, Marco Galoppo

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