宇宙的“左右手”：从星系形状中寻找宇宙诞生之初的秘密

人有左右手，左手永远戴不上右手的手套；假如你照镜子，镜像中的你无法通过镜面对称以外的操作与真正的你重合，物理学把这种性质叫做宇称。它描述的是，世界在左右互换之后是否还能保持和原来完全一样。如果左右互换后物理规律没有变化，我们就说宇称守恒；反之，则称为宇称破缺。

图1宇称守恒：将时钟镜像对称后，时钟走向和原来一致（图源https://en.wikipedia.org/wiki/Parity_%28physics%29）

图2宇称破缺：将时钟镜像对称后，时钟走向和原来不一致（图源https://en.wikipedia.org/wiki/Parity_%28physics%29）

如果自然界完全宇称对称，那么左右应该没有区别，但事实上并不是这样——弱相互作用早已告诉我们，宇宙其实“偏爱左手”。那么我们不妨追问：宇宙最初诞生的时候，会不会也存在这种"左右偏好"呢？如果存在，我们今天还能找到它吗？

今天夜空中的星系、星系团和宇宙网，看起来庞大而复杂，现代宇宙学认为，它们都源于宇宙诞生后极短时间内的一次剧烈膨胀——宇宙学暴胀。暴胀期间，微观世界中的量子涨落被迅速拉伸，成为后来宇宙中物质分布的“种子”。随着数十亿年的引力演化，这些极其微弱的起伏最终形成了今天我们看到的银河系、仙女座星系以及纵横交织的宇宙网。

图3 宇宙起源于138亿年前的大爆炸，经历了暴胀、基本粒子形成等过程，最终演化成今天的样子（图源 https://science.nasa.gov/mission/wmap/wmap-overview/）

如果暴胀时期宇宙本身具有某种左右不对称，那么理论上，这种特征也可能随着宇宙一起成长，一直留存到今天。并且，由于暴胀后的过程通常保持宇称对称，如果我们在亿光年尺度上观测到宇称破缺现象，这种不对称性很可能起源于更早期的暴胀阶段。所以，寻找宇称破缺，同样是在寻找早期宇宙留下的痕迹。

寻找宇宙早期的信息，并不是一件新鲜事。宇宙微波背景辐射（CMB）被称为宇宙诞生后的第一缕光，人们已经利用它研究宇宙四十多年；近年来，引力波探测的发展，也让科学家试图从时空的涟漪中寻找暴胀留下的痕迹；大规模星系巡天则不断绘制越来越精细的宇宙地图，希望从星系分布中获得宇宙学信息。

然而，寻找宇称破缺却异常困难。原因之一在于，很多理论预言的宇称破缺信号，并不会直接体现在最容易测量的两点关联函数中，而是隐藏在更加复杂的四点关联函数中。四点关联函数的测量非常复杂，统计分析难度相较两点关联函数大幅提高，这导致，即使宇宙真的留下了左右不对称的信息，它也可能被淹没在数据噪声之中。因此，想要探寻宇宙中是否存在宇称破缺的痕迹，需要更好的解决方案，发展更合适的探针。

过去，人们研究宇宙时，更关心的是星系的位置：哪里的星系更多？哪里的星系更密集？这些问题构成了现代宇宙学的大部分观测内容。但实际上，星系还有另一个重要的信息：它们的形状。很多星系并不是规规整整的圆球，而是呈现出细长、橄榄球形甚至更加复杂的结构。更重要的是，相邻星系的长轴方向往往并非完全随机，而是受到周围引力场的共同影响。这种现象被称为星系内在对齐（Intrinsic Alignment）。

图4 巡天望远镜下星系的形状和取向（图源 Lamman et al. 2024）

星系内在对齐最初被认为是弱引力透镜研究中的一种“污染”，因为它也会改变我们所看到的星系形状，产生和引力透镜效应相同的现象，从而导致测量的系统误差。因此，早期研究的方向多围绕如何排除其影响展开。然而，近些年人们开始意识到，这种内在对齐效应让星系在形成时记录下了周围环境的状态，使得星系的形状携带了丰富的宇宙学信息。

我们之所以认为星系形状中保存着宇宙的记忆，正是因为星系形状会对大尺度环境的影响有所响应。在星系形成的过程中，暗物质在引力作用下聚集成一个个巨大的暗物质晕，普通物质随后落入这些晕中，形成星系。而暗物质晕的形状，又受到周围引力潮汐场的拉伸和压缩。如果宇宙最初真的存在一种微弱的左右偏好，那么这种偏好会轻微改变引力场的结构，进一步影响暗物质晕的形状，最终反映在星系的形状上。经过几十亿年的演化，这种信号虽然已经变得极其微弱，却可能依然没有完全消失。这意味着，今天我们看到的每一个星系，都可能留有宇宙诞生之初的印记。

当然，仅靠理论猜想是不够的。为了验证这一设想，有研究团队进行了大规模N体数值模拟。他们首先人为构造一种带有宇称破缺特征的宇宙初始条件，然后让数十亿个模拟粒子在引力作用下不断演化，模拟宇宙从早期一直演化到今天的过程。随后，研究人员识别出形成的暗物质晕，计算它们的形状，并分析这些形状之间是否仍然保留着宇称破缺留下的统计特征。结果表明，即使经历了漫长而复杂的引力演化，宇宙最初留下的左右不对称信息依然能够保存在暗物质晕的形状中。也就是说，宇宙并没有完全遗忘自己的童年。

图5 图中带误差棒的数据点表示数值模拟中测量得到的暗物质晕形状的奇宇称功率谱，实线表示不同宇称破缺初始条件下理论计算的结果，二者呈现出一致性（图源 Kurita et al. 2026）

实际利用巡天望远镜进行测量时，天文学家将面临更大的考验。和其他所有观测过程一样，对星系形状的测量和统计分析也会受到噪声的干扰。对此，研究团队进一步评估了未来观测计划究竟有没有能力发现这种极其微弱的信号。这种评估类似天气预报，只不过预报的不是明天会不会下雨，而是未来的望远镜究竟有没有能力观测到预期的信号。天文学家会把巡天面积、观测深度、星系数量、测量误差等因素全部纳入模型，在计算机中反复模拟未来观测的数据，再估计最终能够达到怎样的精度。

随着未来大型星系巡天不断展开，我们将获得数以亿计星系的形状信息。虽然单个星系携带的信号微乎其微，但当如此庞大的样本汇聚在一起时，原本几乎淹没在噪声中的宇称破缺信号便有机会逐渐显现出来。研究显示，下一代巡天项目具有测量某些原初宇称破缺信号的潜力，甚至在某些情形下，其探测能力可以与传统依赖CMB或四点关联函数的方法相媲美，并形成重要互补。

不过，这并不意味着真正的发现已经近在眼前。现实中的巡天数据远比模拟复杂，望远镜成像质量、大气扰动、仪器系统误差、星系本身形成过程带来的复杂物理效应，都可能掩盖真正的宇宙信号。如何把这些“假信号”与来自宇宙诞生时的真实印记区分开来，仍然是未来我们需要攻克的重要课题。

也许在未来，随着这一探测方法不断发展和完善，我们能够通过星系的形状，触摸到宇宙最初的“左右手”。那时，我们不仅能够回答“宇宙有没有左右之分”，还可能进一步理解：为什么今天的宇宙，会成为现在的样子。

参考文献

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来源：中国科学院国家天文台

编辑：测不准的小阳

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