天文
我们所在的宇宙是个空洞
最新证据表明，我们的银河系位于一个宇宙空旷的中心，该空间宽达20亿光年。如果是这样，我们可能需要重新思考对宇宙的理解。
我们生活在一个宇宙空间如此空旷，以至于它打破了宇宙学的定律。证据表明，我们的银河系位于一个20亿光年宽的空无之境的中心。如果是这样，我们可能需要重新思考对宇宙的理解。
你有没有觉得自己被困在一个洞里？你确实被困住了。天文学家称之为“局部空洞”，但这完全是个低估。它是巨大的，庞大的，极其巨大的——虽然事实上，当我们谈到这片空旷之境时，形容词都无法描述。这是我们所知的最大宇宙空旷，横跨20亿光年。我们的银河系恰好位于其附近，但这个洞的问题不在于它构成了一个近距离的危险——更多的是它根本不应该存在。
也就是说，如果我们关于宇宙的最坚定信念之一是真实的话。这个假设被称为宇宙学原理，它认为宇宙的物质应该在最大尺度上均匀分布。这是现代宇宙学的基石。如果这个空洞是真实存在的，那么这块石头可能正在瓦解。
因此，很少有人敢相信这个空洞可能是真实存在的。但近年来，证据越来越多，天文学家们已经从怀疑转向勉强接受。他们还发现了其他类似巨大的结构。因此，现在的问题越来越迫切：如果我们真的生活在一个空洞中，我们是否需要大幅修改我们对宇宙的模型？这可能涉及重新思考重力、暗物质的性质，或者两者兼而有之。
认为宇宙在各个方面都具有相同特征的观念至少可以追溯到艾萨克·牛顿。他认为，星球和行星的运动可以通过一个普遍适用的引力定律来解释……在每个地方都是相同的。今天，类似的想法适用于物质的分布。宇宙学原理指出，宇宙应该是各向同性和均匀的，这意味着它的较大尺度组成在每个方向上看起来都应该是相同的，无论你从哪个方向观察。
这样做是有道理的。大爆炸后，物质会被包含在一个极度密集的球体中，然后在我们称之为膨胀的时期内膨胀。这个非常快速的膨胀时期会使物质的密度变得均匀，最终导致一个星系均匀分布的宇宙。
宇宙学标准模型
今天，这些想法已经融入了宇宙学的标准模型，这是我们对宇宙是如何增长和成形的极为成功的解释。除了宇宙学原理之外，这个模型还包括这样一个假设，即宇宙主要由未知的暗能量和暗物质组成，前者通过与宇宙持续膨胀有关的力来发挥作用，后者是一种只通过与其他物质引力作用的未知物质。基于这一点，该模型完美地解释了宇宙的关键特征，包括宇宙诞生的头几分钟内产生的氦和氘的量以及来自大爆炸余辉的光模式，即所谓的宇宙微波背景。
但是想象宇宙就像是粗糙的花生酱，而不是平滑的品种。这是因为宇宙学原理在统计上是成立的，这意味着宇宙在平均上是平滑的，但是一些团簇和间隙并不是完全禁止的，只要它们不太常见。此外，我们预计重力会将物质聚集成大型结构，但在宇宙的年龄考虑之下，只能达到一个极限。在这种普遍均匀性内部的奇点可能会出现，但它们应该是罕见的。“你可以计算出这些结构的概率，可能会非常低——但不是零，”耶鲁大学的天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉让说。底线是，我们不希望看到比约12亿光年更宽的空洞或结构。
我们所处的宇宙空间第一次迹象是在1990年，当时英国达勒姆大学的托马斯·尚克斯及其同事们研究了我们的宇宙地区的一项调查，该调查由光学照片组成，并计算了星系的数量。他们发现的星系比他们预期的要少。1997年，一个天文学家小组根据红外图像对同一地区的星系进行了计数，并发现了相同的情况。
2013年，三位研究人员——台湾中央研究院天文与天文物理研究所的瑞安·基南、威斯康星大学麦迪逊分校的艾米·巴格和夏威夷大学的伦诺克斯·科维——再次使用先进的红外调查进行了研究。他们发现了相同低星系密度，而且至关重要的是，他们绘制出了这个空洞的结构。“很明显，存在一个局部低密度，”科维说。这三人发现，我们生活在一个宽2亿光年的空间中，其密度比平均值低约20%。
这个区域现在被称为局部空洞或KBC空洞，取其发现者的首字母。但是，人们仍然对它是否真的像看起来那样空无一物存在一些疑虑。毕竟，那里有许多不发出可见或红外光的东西，所以可能被忽视了。
然而，后来使用了我们手头上大多数观测工具对这个空洞进行了绘制，包括一项在2020年的研究，该研究观察了X射线的发射，并得出结论，该空洞的密度低于宇宙平均水平。“观测证据非常强”，尚克斯说。“计算星系数量是一种简单可靠的技术。”
这使得宇宙学家头痛不已。如果宇宙不像我们一直以为的那样各向同性和均匀，那该怎么办？“发现它并非如此可能会迫使宇宙学改变事物，”科维说。
他不认为KBC空洞的存在本身足以引发恐慌。但还有其他问题。2019年，英国中央兰开夏大学的阿莱克西亚·洛佩斯正在尝试使用斯隆数字天空调查的图像分析新方法，该调查正在绘制广阔的天空范围。她的工作利用了被称为类星体的极度明亮物体照亮较暗物质的能力。在2021年的一篇论文中，她透露她发现了一条长达33亿光年的星系弧。这只是近年来发现的几个令人惊叹的巨大结构之一。
哈勃张力
过大的空洞和结构并不是宇宙学标准模型面临的唯一问题。还有哈勃张力。我们知道，宇宙正在以越来越快的速度膨胀，这由一个称为哈勃常数的数字给出。问题在于，关于这种膨胀速率的各种测量结果不一致。当我们在大尺度上测量时，这个数字大约比我们根据附近星系的测量得出的数字低10%。换句话说，我们所处的宇宙局部区域似乎比其他地方膨胀得更快。就在上周，出现了可能有助于缓解这一紧张局势的新结果，但在天文学家中仍存在争议。
除此之外，还有“整体流动”的问题，这指的是星系流动的方式。去年，夏威夷大学的天文学家布伦特·塔利及其同事们观察到了KBC空洞中的这些流动，并发现它们的速度是宇宙学标准模型预测的四倍。“这些测量结果与哈勃张力争议相结合，表明标准模型[宇宙学]存在真正的问题，”塔利说。
他并不是唯一一个持这种观点的人。英国圣安德鲁斯大学的研究员、曾研究过KBC空洞的因德拉尼尔·巴尼克说，哈勃张力、整体流动问题和空洞共同造成了宇宙学的危机。他说，在坚持标准模型的情况下是“不可能”的去解决这个问题，所以是时候寻找其他解决方案了。
这个解决方案必须实际上涉及一种机制，使得结构可以比我们通常预期的更快地形成。实际上只有两种选择。要么你提出一个对引力强度的微调，要么你调整暗物质的性质以及它如何通过引力作用。
巴尼克和他的同事最近探讨了第一种选项，修改了一个被称为修正牛顿动力学(MOND)的旧观念，该观念认为，在非常大的距离上，重力比正常情况下强。他们计算了MOND如何影响我们的局部环境，假设我们生活在一个比宇宙平均值少20%的空洞中。
研究人员发现，这将自然地导致局部宇宙膨胀得更快，因为物质，包括用于测量哈勃膨胀的超新星和星系，将不断流出该地区——被引力吸引到空洞外更丰富的物质。因此，生活在一个空洞中最终会使本地测量的宇宙膨胀速度增加。这个模型也符合最新的整体流动数据。对于洛佩斯来说，这些结果是有趣的，因为它们可能还能解释她发现的巨大结构。“跟随数据是好的科学，”她说。
然而，MOND是一个极具争议性的假设，因为它摒弃了暗物质，这个观念在观测中得到了很好的支持。即使巴尼克也强调，他不认为自己的工作是这场危机的解决方案。他说，这表明对标准宇宙模型的一些微调可能会导致结构更快地形成。巴尼克认为，MOND的一种不太干预的版本可能会起作用，其中广义相对论的定律在百万光年以上的尺度上微调，使得引力在这些尺度上稍微加强，但不至于影响标准模型中的其他任何东西，包括暗物质。他指出，引力的强度尚未在那些尺度上得到测试。
如果他关于引力需要微调的看法是错误的，那么也许空洞可以通过对暗物质进行调整来解释。标准宇宙模型假设暗物质是“冷”的，意味着它移动缓慢，几乎不与正常物质或光发生作用，除了通过引力。该模型还表明，宇宙结构是分级增长的，小的物体组合成更大的物体。但一些宇宙学家认为，暗物质可能实际上是“热”的，接近光速运动。在这种情况下，暗物质将由几乎无质量的粒子组成，例如中微子，而结构将从巨型实体开始形成，然后分解成诸如星系等较小的物体。这与巨大结构的存在以及KBC空洞更相符，但与其他观测结果相差甚远。或者暗物质可能通过未知的第五种自然力与其他物质发生相互作用。“你可能可以想出一些暗物质相互作用的方法，或者与其它物质的相互作用，这些方法会增加结构的形成，”英国朴茨茅斯大学的宇宙学家哈里·德斯蒙德说。
还有更奇特的想法。一种疯狂的选择——尽管在标准宇宙模型中是允许的——是宇宙弦。这些假设的细丝比质子还要细，但长度可达数十亿光年。洛佩斯提出这样的想法，即这些弦可能起到一种额外的引力吸引作用。巴尼克说，这不太可能是解决方案，因为即使这些弦存在，它们也会很少见。
因此，解决空洞的问题并不容易。纳塔拉让说，我们现有的宇宙学模型“极难被证伪”。对一个方面进行微小调整可能会在其他地方引发意想不到的问题。虽然改变暗物质的性质可能解释空洞的存在，“但我不知道加速结构形成会对恒星形成、星系形成或黑洞形成产生什么影响，”她说。
对此，尚克斯猜想，空洞是否实际上比我们意识到的更普遍。我们关于宇宙结构的大多数数据都是基于明亮星系的——这是当然的，因为这是我们最容易看到的。然而，不太可见的物质可能聚集得非常不同，也许使大尺度结构或巨大空洞比我们意识到的更常见。如果是这样，KBC空洞就不会是个例外。
但是，假设我们的空洞和我们认为的一样罕见——那将是一件相当特别的事情。在过去的一个世纪里，我们对宇宙的探索一次又一次地告诉我们一个教训：我们并不特别。地球是无数行星中的一个，绕着无数星系中的一个恒星运行——甚至可能存在于无数宇宙中的一个。发现KBC空洞指向了相反的方向；它使我们变得不寻常。如果我们生活在一个洞里，也许这种想法比听起来更特别。
本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。