2.3 均匀性的早期证据之各向同性

在比沙普利和艾姆斯采样的体积更大的空间内，仍然存在星系均匀分布的可能。哈勃（1926，1934）进行了一项测试，即以暗星系计数的变化作为天空中位置的函数。在远离银河系平面附近被星际尘埃所遮掩的区域，哈勃（1934）发现，每平方度往往大约有100个星系（降低至标准观测条件）及至极限红移，他估计 z =0.1。这是深场，是光速的10%，大约是沙普利-艾姆斯图中采样距离的10倍。哈勃在低银河纬度上的计数（图2.3中下部线状的数据）比在高银河纬度时小，并且显示出整个天区的系统变化。两者都是沿着银河系平面上的视线方向被不同数量的尘埃遮盖的效果。上部的线状数据是在平面上方40°~50°的计数，在北银河半球中以实心圆，在南银河半球中以空心圆绘制。这两个半球的计数相似，并且没有显示出随着天空中的位置系统性变化的趋势。哈勃（1934，62）得出以下结论：

然而，从总体上看，集群化趋势趋于平均。大型反射镜的计数与均匀群族的采样理论非常接近。统计上，星云的均匀分布似乎是整个可观测区域的一般特征。

博克（1934，8）的考虑导致他得出了相反的结论：

不同的证据线都表明，可利用的材料指出了外部星系分布中普遍存在的不均匀性，而且这种聚集的趋势可能是现代望远镜可观测的宇宙范围内的主要特征之一。

博克当时在哈佛学院天文台任教，他强调了从该天文台发布的哈佛沙普利-艾姆斯星系图中星系的成块分布。他提到了哈勃（1934）的研究，但没有提及哈勃的图4（本书的图2.3）。哈勃把这张图看作展现均匀性的提示。博克似乎没有被说服。

哈勃的解释对我来说似乎更合理，我认为这是第一个提示，表明在足够大的体积中，平均来说，星系分布接近各向同性。当然，现在很容易看到这一点。而且更容易看到的是，如果我们认为我们在星系中的位置不是很特别，那么我们就可以从图表中看出，星系分布在大范围内趋于均匀，尽管这还只是非常初步的结论。

另一条证据线于20世纪50年代开始出现。我们此时开始在射电波段探测宇宙，并在不久之后开始通过X射线和微波探测器探测宇宙。图2.4显示了谢克沙夫特等（1955） 在《剑桥第二射电源星表》（2C）中列出的巡天天区部分射电源的位置分布。当时这些源很可疑，现在已知它们位于星系当中。该星表列出了波长为3.7米（82 MHz）的1 936个源。有一些靠近银河系平面，很可能在我们的银河系中。其他是对旁瓣中源的虚假探测，并且一些真实的源丢失了。天空中最亮的河外射电源天鹅座A位于这张图的银道面上，并且位于左侧约四分之一处。该物体周围的空白区域形成的原因是该源在射电波段的光度如此之高，以至于遮盖了图中靠近它的源的光。（右下角的大片空白区域未被观测到，因为它始终位于望远镜的视线以下。）

对其中一些源的光学证认和红移测量表明，许多源的红移足够大，以至于观测结果可能表明，作为射电流量密度的函数的源计数与在狭义相对论的平坦时空中的预期间存在可检测的偏离。这是将在第3.4节中讨论的宇宙学测试。虚假探测和遗漏使它在这里的应用受到了干扰。这个系统误差对源的角向分布影响较小，但是我们看到图2.4中的源恒定面积图确实如在均匀宇宙中预期的那样：在任何方向都没有提示表明观测已经到达了这些源分布的边界。

我们存在于X射线和微波辐射的海洋中。后者后来被称为“宇宙微波背景”，这将是第4章的主题。一次6分钟的火箭飞行给出了前者的第一个证据，即X射线的海洋（Giacconi et al.，1962）。飞行过程中几乎没有时间测量X射线角向分布，但是古尔德（1967）的回顾表明，这种辐射在整个天空中的变化不会超过10%。施瓦茨（1970）使用OSO-III X射线卫星（在7.6~38 KeV，角分辨率约为10°）对天空进行了长达一年的扫描，结果表明X射线各向异性为4%。

彭齐亚斯和威尔逊（1965）提出了对第二种成分，即微波辐射海的认识。到20世纪60年代末，威尔逊和彭齐亚斯（1967）以及帕特里奇和威尔金森（1967）发现，这种辐射在优于0.2%的程度上是各向同性的。

在光学、射电、微波和X射线波长处观测到的各向同性对有关我们宇宙大尺度本质的观点提供了重要约束。图2.3和图2.4要求，如果星系的空间分布不接近均匀，那么关于我们的位置，它至少应接近于球对称分布。这似乎是对物质的一种奇怪的安排，而且对于像我们这样的观测者而言，有着无数同样像合适家园的其他星系，这也很奇怪。很难想象，我们会处在靠近对称中心如此特殊的位置。更容易的解释是，我们的宇宙接近于均匀，这意味着其他星系的观测者也将看到源的各向同性分布。

值得考虑的另一幅图像是X射线和微波辐射的背景是各向同性的，因为宇宙包含了一个与星系的分布无关的均匀的辐射海。如果时空是静态的，那么确实可能如此。但如果我们接受来自星系红移的证据，即星系正在互相远离，那么大多数星系就必须穿过一片均匀的辐射海。多普勒效应会使在辐射海中移动的观测者发现，辐射在星系移动的方向上比平均水平亮，而在相反的方向上则变暗。我们观测到的辐射接近于各向同性，因此我们又必须处于一个极其特殊的星系中——少数几个在辐射海中缓慢移动的星系之一。大多数星系将以更快的速度在辐射海中移动，最遥远的以相对论速度移动。为什么我们处于这种特殊情况中呢？

我们可能会考虑的另一种情况是，辐射是在弯曲的时空中均匀分布的，该弯曲的时空描述了均匀且各向同性的空间截面，这与宇宙学原理相一致，但即便是在任意大的尺度上，星系也以团块状分布，正如在分形结构中那样。20世纪60年代，研究者或许可以用以下理由来为这种图景辩护：假定X射线背景不是来自星系，并且我们可以忽略由星系占据的区域中的质量引起的对时空的引力干扰。沃尔夫和伯比奇（1970）以及皮伯斯（1971a）讨论了这类问题。结论是很难想象一个接近哈勃长度尺度的关于物质团块化的模型会与所有各向同性的观测相符。除此之外，还有更多。 PTcPtKyBj+8weRBFIKdlss66YVLR4FQTYZjw8VZzN0UeCaNEUwKebaTw1rmioqZN