地球是在一个巨大的空洞里吗？

我们最好的观测无法给出一个关于宇宙扩张速度的单一答案。也许这是因为我们的星系位于一个巨大的空洞的中心。

宇宙学中最大的谜团之一是宇宙的扩张速率。这可以用宇宙学的标准模型来预测，也就是所谓的Lambda-冷暗物质模型(ΛCDM)。这个模型是基于对大爆炸留下的光的详细观测，即所谓的宇宙微波背景(CMB)。

宇宙的扩张使得星系相互远离。它们离我们越远，移动得越快。星系的速度和距离之间的关系由“哈勃常数”决定，大约是每秒70公里每兆秒差距(天文学中的长度单位)。这意味着一个星系每离我们远一百万光年，它的速度就增加5万英里每小时。

但不幸的是，对于标准模型来说，这个值最近受到了质疑，导致了科学家所说的“哈勃张力”。当我们用附近的星系和超新星(爆炸的恒星)来测量扩张速率时，它比我们基于CMB预测的要大10%。

在我们的新论文中，我们提出了一种可能的解释：我们生活在一个巨大的空洞中(密度低于平均水平的区域)。我们展示了这种情况如何通过空洞中的物质流出来使得局部测量膨胀。物质流出是由于空洞周围的密度较大的区域将其拉开而产生的——它们的引力比空洞内部的低密度物质更大。

在这种情况下，我们需要靠近一个半径约为10亿光年，密度比整个宇宙的平均水平低20%的空洞的中心——所以并不是完全空的。

这样一个大而深的空洞在标准模型中是意料之外的，因此有争议。CMB给出了婴儿宇宙中的结构的快照，表明今天的物质应该是相当均匀分布的。然而，直接计算不同区域的星系数量确实表明我们处于一个局部空洞中。 调整引力定律

我们想要进一步测试这个想法，通过假设我们生活在一个从早期的小密度波动中生长出来的大空洞中，来匹配许多不同的宇宙学观测。

为了做到这一点，我们的模型没有采用ΛCDM，而是采用了一种叫做修正牛顿动力学(MOND)的替代理论。

MOND最初是为了解释星系的旋转速度的异常，这是导致了一种叫做“暗物质”的看不见的物质的建议。MOND则认为，这些异常可以用牛顿引力定律在引力很弱时失效来解释——就像在星系的外部区域的情况一样。

MOND中的整体宇宙扩张历史与标准模型相似，但结构(如星系团)在MOND中会更快地增长。我们的模型捕捉了MOND宇宙中的局部宇宙可能是什么样子的。我们发现，它会使得今天的局部扩张速率根据我们的位置而波动。

最近的星系观测使我们能够基于我们的模型预测的不同位置的速度进行一个关键的新测试。这可以通过测量所谓的体流来做，它是一个给定球体中的物质的平均速度，无论密度如何。这个速度随着球体的半径而变化，最近的观测显示它延伸到了10亿光年。

有趣的是，这个尺度上的星系的体流速度是标准模型预期的四倍。它似乎随着考虑的区域的大小而增加，与标准模型的预测相反。这与标准模型一致的可能性低于百万分之一。

这促使我们看看我们的研究对体流的预测。我们发现它与观测相当吻合。这需要我们离空洞的中心很近，而且空洞在它的中心最空。

我们的结果出现在一个时候，当哈勃张力的流行解决方案遇到了麻烦。有些人认为我们只需要更精确的测量。还有些人认为，它可以通过假设我们在局部测量的高扩张速率实际上是正确的来解决。但这需要对早期宇宙的扩张历史做一点微调，以便CMB仍然看起来正确。

不幸的是，一篇有影响力的综述强调了这种方法的七个问题。如果宇宙在绝大多数的宇宙历史中扩张得快10%，它也会年轻10%——与最古老的恒星的年龄相矛盾。

在星系数量计数中存在一个深而广的局部空洞，以及观测到的快速体流，强烈地表明，在数千万到数亿光年的尺度上，结构比ΛCDM预期的更快地增长。

有趣的是，我们知道一个巨大的星系团El Gordo在宇宙历史中形成得太早，它的质量和碰撞速度都太高，与标准模型不相容。这是更多的证据表明，结构在这个模型中形成得太慢。

由于引力是这样大的尺度上的主导力量，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论，广义相对论——但只是在超过一百万光年的尺度上。

然而，我们没有好的方法来测量引力在更大的尺度上的行为——没有那么大的引力束缚的物体。我们可以假设广义相对论仍然有效，并与观测进行比较，但正是这种方法导致了我们最好的宇宙学模型目前面临的非常严重的紧张。

爱因斯坦据说说过，我们不能用导致问题的同样的思维来解决问题。即使所需的改变不是很大，我们也很可能正在见证一个世纪以来第一个可靠的证据，表明我们需要改变我们的引力理论。

本文译自 Live Science，由 BALI 编辑发布。