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Cosmographic constraints on a Gödel-type rotating universe

通过对 Pantheon+ Ia 型超新星数据进行宇宙学分析，本研究发现，在中等红移处，模型对哥德尔型旋转宇宙模型较之标准 $\Lambda$ CDM 模型具有轻微但具有统计学意义的偏好，这表明全局宇宙旋转可能影响晚期膨胀历史。

原作者： Anshul Verma, Pavan K. Aluri, David F. Mota, Yuri N. Obukhov

发布于 2026-06-30

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原作者： Anshul Verma, Pavan K. Aluri, David F. Mota, Yuri N. Obukhov

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙就像一个巨大的、正在膨胀的气球。几十年来，标准的叙事（被称为 ΛCDM 模型）一直认为这个气球是在各个方向上均匀地膨胀，就像一个在安静房间里不断生长的光滑、圆润的球体。

但如果宇宙不仅仅是在膨胀呢？如果它还在旋转呢？

这篇论文探讨的正是一个这样的问题。作者们是一支来自印度、挪威和俄罗斯的物理学家团队，他们研究了我们的宇宙是否具有全局性的“自旋”，类似于花样滑冰运动员在冰面上滑行时旋转的方式。他们使用了一种特定的数学模型，称为 Gödel 型宇宙（该模型允许同时存在膨胀和旋转），以观察数据是否支持这种旋转的思想。

以下是利用简单类比对他们研究结果的解读：

1. 侦探工作：寻找“宇宙灯塔”

为了测试宇宙是否在旋转，团队充当了宇宙侦探。他们使用 Ia 型超新星作为线索。可以将这些超新星想象成散布在宇宙中的“标准灯泡”。因为我们确切知道它们“应该”有多亮，所以我们可以通过它们看起来有多暗来判断它们的距离。

他们观察了 1,701 个这样的“灯泡”（来自一个名为 Pantheon+ 的数据集），并检查了它们的亮度与其距离（红移）之间的关系。如果宇宙是完美平滑且不旋转的，那么这些灯泡发出的光将遵循一种非常特定且可预测的模式。如果宇宙在旋转，那么光到达的方式会根据你观察的方向而略有不同，就像旋转的旋转木马上，无论你站在哪里，投出的球的轨迹都会略有不同。

2. 主要发现：一种“轻微”的自旋

团队发现了一些有趣的迹象，表明宇宙确实可能在旋转，但这种效应非常微妙。

自旋速率： 他们计算了一个“自旋参数”（称为 $\Omega_0$ ）。对于距离最近的一组超新星（直到某个特定距离），数据表明自旋值约为 0.29。这并不是一种狂乱、混沌的旋转；它更像是一种缓慢、稳定的转动。
方向： 如果宇宙在旋转，它必须围绕一个轴心旋转，就像地球绕着北极和南极旋转一样。团队将这个宇宙轴心定位到了天空中的一个特定位置（靠近人马座）。有趣的是，这个方向与科学家在宇宙微波背景（大爆炸的余晖）和来自遥远星系的射电波中注意到的其他“奇怪”方向在一定程度上是一致的。

3. “哈勃常数”（膨胀速度）

目前物理学界最大的谜团之一是“哈勃张力”——即不同测量宇宙膨胀速度的方法之间存在分歧。

发现： 作者发现，即使使用了这种新的旋转模型，计算出的膨胀速度（哈勃常数）仍然非常稳定，保持在 0.73。
类比： 想象一辆车正在高速公路上行驶。无论这辆车只是直行，还是在直行的同时稍微转动方向盘，速度计显示的数值仍然是一样的。这种“自旋”并没有破坏速度计；它只是为这段旅程增加了一个新的复杂维度。

4. “减速”之谜

团队还研究了宇宙是在加速膨胀还是在减速膨胀（减速参数 $q_0$ ）。

转折： 在标准模型中，宇宙是在加速膨胀的。在他们的旋转模型中，数据表明在非常近的距离内，宇宙几乎没有加速，甚至在轻微减速，之后才在较远距离处趋向于接近标准模型的模式。
启示： 这表明，如果宇宙正在旋转，那么这种旋转可能会对我们感知附近的空间膨胀产生微小的局部影响，但这种影响随着我们观察得更远而逐渐消失。

5. 哪个模型胜出？“成本效益”分析

作者使用一种称为**赤池信息准则（AIC）**的统计工具，将他们的“旋转宇宙”模型与标准的“非旋转”模型进行了对比。你可以把 AIC 想象成一位法官，他在询问：“增加自旋所带来的额外复杂性，是否值得换取对数据更好的拟合度？”

判决： 对于距离最近的超新星，两种模型几乎不相上下。但对于中等距离的超新星（中间地带），旋转模型胜出了。在这些特定范围内，数据来自旋转宇宙的可能性比来自非旋转宇宙的可能性高出约 3 到 10 倍。

6. 警示：先别开香槟庆祝

作者非常谨慎，并未声称他们已经证明了宇宙正在旋转。

局限性： 他们的分析使用了“泰勒展开”，这就像是通过一个小窗口观察曲线。它在观察附近物体时效果很好，但可能无法告诉我们关于整个宇宙的全貌。
结论： 结果是“引人入胜的”且在“中等距离具有统计学意义”，这表明宇宙旋转可能是真实存在的现象，并影响着宇宙如何膨胀。然而，他们需要更多的数据和更先进的数学方法（超越他们目前的“窗口”）来确认这是一种真实的物理现实，还是仅仅是一个统计上的巧合。

总结

简而言之，这篇论文表明，宇宙可能不是一个完美平滑、正在膨胀的气球。它可能是一个正在旋转的气球。虽然这种旋转很轻微，并且不会改变整体的膨胀速度，但它似乎在遥远超新星的光芒中留下了可检测到的痕迹，尤其是在中等距离处。标准的“非旋转”模型仍然是一个强有力的竞争者，但“旋转”模型在某些区域的拟合度略好，值得进一步研究。

技术摘要：哥德尔型旋转宇宙的宇宙学约束

问题陈述
标准宇宙学模型（ $\Lambda$ CDM）假设了宇宙学原理，即宇宙是均匀且各向同性的。然而，旋转是天体物理系统中普遍存在的现象，从小行星到星系中心皆是如此。这引发了一个问题：宇宙本身是否具有全局旋转？虽然之前的研究通过双毕安基（Bianchi）模型和 CMB 数据对宇宙旋转进行了调查，但结果并不确定，通常难以将涡度与剪切力区分开来，或缺乏统计显著性。此外，标准模型面临着诸如哈勃张力等问题，并表现出各种异常现象（例如 CMB 首选轴），而旋转宇宙模型可能能够解决这些问题。本研究通过使用 Ia 型超新星（SNIa）数据，对哥德尔型（Gödel-type）旋转宇宙模型进行约束。

方法论
作者采用了宇宙学图谱分析法，利用 Pantheon+ 数据集，该数据集包含来自约 1550 个独特的光谱确认 SNIa 的 1701 条光变曲线。分析侧重于低红移数据（ $Z \leq 0.5$ ），以确保处于泰勒展开量级-红移关系的有效范围内。

理论框架： 本研究使用了一种非平稳、膨胀的哥德尔型度规（公式 2），该度规不含封闭类时曲线（CTCs）。该度规结合了随时间变化的标度因子 $R(t)$ 、旋转和膨胀。全局旋转参数 $\omega$ 沿 $z$ 轴（各向异性轴）定义。
观测关系： 利用 Kristian-Sachs 形式化方法，作者推导出了一个直到线性阶的量级-红移关系（公式 9）的泰勒展开式。该关系包含了哈勃参数（ $h_0$ ）、减速参数（ $q_0$ ）、无量纲旋转参数（ $\Omega_0$ ）以及各向异性轴的方向 $(R_a, D_a)$ 。
统计分析： 进行了马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）似然分析，以约束模型参数： $\Xi = \{h_0, \Omega_0, q_0, \tilde{\rho}, (R_a, D_a), M_0, \alpha, \beta, \gamma\}$ 。分析通过最小化 $\chi^2$ 函数来比较理论距离模（ $\mu_{th}$ ）与观测值（ $\mu_{obs}$ ），并利用了 Pantheon+ 合作组提供的完整协方差矩阵（统计与系统误差）。
红移分箱： 参数在五个红移分箱（ $Z \leq 0.1$ 至 $Z \leq 0.5$ ）中进行估计，以追踪约束的演化。
模型比较： 使用赤池信息准则（AIC）将旋转哥德尔型模型与标准的平坦 $\Lambda$ CDM 模型进行比较，以惩罚模型复杂度并评估相对概率。

关键结果

哈勃常数 ( $h_0$ )： 在两种模型中，推断出的哈勃常数在所有红移分箱中均保持稳定，且 $h_0 \approx 0.73$ 。这与 SH0ES 的测定结果一致，表明引入旋转并不会显著改变局部膨胀速率。
减速参数 ( $q_0$ )： 在哥德尔型模型中， $q_0$ 从 $Z \leq 0.1$ 时的接近零（ $0.01 \pm 0.32$ ）向 $Z \leq 0.4$ 时轻微负值（ $-0.089^{+0.055}_{-0.039}$ ）转变。这些值比在相同数据子集中进行的标准 $\Lambda$ CDM 分析所得的值更不负，这表明旋转对膨胀动力学可能存在局部影响。
旋转参数 ( $\Omega_0$ )： 无量纲旋转参数显示出对非零值的轻微但一致的偏好。它在 $Z \leq 0.2$ 分箱处达到峰值 $\Omega_0 = 0.29^{+0.21}_{-0.15}$ ，并在 $Z \leq 0.5$ 时下降至 $0.120^{+0.078}_{-0.046}$ 。 $\Omega_0/h_0$ （旋转强度与膨胀强度的比值）遵循类似的趋势，在 $Z \leq 0.2$ 时达到约 $0.40$ 的峰值，并在较高红移处减小。
各向异性轴： 推断出的旋转轴在各分箱中保持一致，中心位于赤道坐标 $(R_a, D_a) \approx (243^\circ, -49^\circ)$ 。这与报告的其他首选轴大致吻合。
模型比较 (AIC)： AIC 分析表明，在中红移处，旋转哥德尔型模型相对于标准 $\Lambda$ CDM 模型具有统计学上的显著偏好。具体而言，对于 $Z \leq 0.3, 0.4, 0.5$ ，旋转模型的概率分别是参考 $\Lambda$ CDM 模型的约 9.9 倍、4.7 倍和 6.9 倍。

意义与主张
论文声称，其发现表明，如果存在宇宙旋转，它可能会影响宇宙的晚期膨胀历史，特别是在中红移时期。AIC 比较中对旋转模型的偏好被描述为“出人意料且有趣”，这意味着旋转的运动学效应可能发挥不可忽视的作用。

然而，作者对于这些结果的决定性性质保持了谨慎的态度。他们明确指出，这种偏好的显著性取决于宇宙学图谱展开的鲁棒性以及潜在系统误差的影响。论文得出结论，虽然这些结果值得进一步研究，但它们尚未构成对宇宙学张力的决定性解决，也并非全球旋转的证明。作者建议，未来的观测（如 Euclid 和 JWST 调查）以及超越宇宙学图谱范畴的分析（例如求解完整的亮度-红移关系）对于确定观察到的偏好是真实的物理效应还是统计异常是必要的。