宇宙空洞里，藏着宇宙最神秘的秘密

这些空洞远不是缺少研究价值的“空白死水”，它们可能藏着解答一些最顽固宇宙之谜的线索，例如引力如何表现、暗能量是什么，以及所谓的哈勃张力——不同观测得到的宇宙膨胀速度不一致，多年来令天文学家头疼。“有了空洞，我们就有能力处理许多最有趣的宇宙谜题，”法国国家科研中心马赛粒子物理研究中心宇宙学研究教授爱丽丝·皮萨尼说。她补充说，由于空洞中物质较少，干扰也更少，研究人员能观察到的信号因此具有较高的“信噪比”。

新的望远镜和先进模拟推动了这一领域的快速增长，激发全球越来越多的科学家把空洞当作独特的宇宙实验室来研究。一些专家甚至认为，我们可能生活在一个巨大的空洞中；如果真是这样，我们看宇宙的方式可能会受到重要影响。尽管这些区域因稀疏而得名，空洞却正成为宇宙学中的重要对象，因为物理定律可以在那里以异常清晰的方式被观测。皮萨尼说，从宇宙学角度看，现在是一个非常激动人心的时期。

什么是宇宙空洞？

大爆炸之后，宇宙起初是一锅均匀的亚原子粒子汤。但数百万年后，随着物质冷却并稳定形成原子，宇宙网的模糊轮廓开始显现。数十亿年间，宇宙网的骨架通过引力把气体云、星系团和其他宇宙天体拉向自身。随着更多物质被拉入宇宙网，丝状结构之间的间隙逐渐扩大，形成空洞。小的“子空洞”可以出现在星系团之间，直径可能只有1000万或2000万光年。但空洞可以大得多。牧夫座空洞也被称为“大虚无”，跨度超过3亿光年。

皮萨尼说，称它们为“宇宙空洞”可能具有误导性，因为这会让人以为空洞意味着空无一物。事实上，我们研究的空洞并不空；这些欠密区域中有质量很小的低质量星系。例如，牧夫座空洞包含几十个星系——尽管这仍然远少于同样大小区域本应拥有的数千个星系。

因为空洞相对缺少物质，它们在20世纪70年代末之前没有进入观测视野。在此之前，星系位置主要被绘制成天空中的二维点。随着三维星系分布图出现，科学家第一次看到宇宙网轮廓，也暴露了空洞的存在。近年来，许多新望远镜巡天引发空洞发现爆炸，例如亚利桑那的暗能量光谱仪，即DESI，以及欧洲的欧几里得空间望远镜。这些仪器预计将绘制超过10万个空间空洞，提供对这些结构前所未有的观察。但即使如此，这些巡天也只能捕捉估计存在数百万个空洞中的一小部分。

“仅在过去10年，这一领域就因新技术而显著发展，”CPPM宇宙学家兼空洞专家尼科·舒斯特说。“这让我们能够观测到比以前多得多的星系，也终于使我们能够更深入地探测宇宙网，找到更多空洞，并把它们解析得更清楚。”

与此同时，更精密的宇宙网计算机模拟补上了空洞演化知识中的缺口，使科学家能够模拟数十万个空洞。舒斯特说，这比几年前的模拟能力提高了一个数量级。这场变革使空洞被定义为“强大的宇宙学实验室”，这是皮萨尼领衔、发表于四月《天文学与天体物理学综述》的一篇空洞科学综述提出的观点。

空洞能告诉我们什么？

由于空洞相对稀疏，它们提供了观察“更简单”引力效应的罕见机会：不像星系团这类巨大而混乱的天体，空洞中较少有复杂干扰。因此，宇宙学家常利用空洞检验修正引力理论和广义相对论的极限。实际做法是，研究人员追踪星系、暗物质晕等“示踪物”如何在空洞中运动，并将观测结果与宇宙学模型预测进行比较。

例如，舒斯特发表的研究探索了空洞中物体纯净、简单的运动，以及这些运动对研究中微子的意义。中微子是宇宙中最轻粒子之一。虽然中微子极其常见——每秒有上百万亿个穿过人体——但它们几乎不与物质相互作用。这种“几乎不参与物质”的性质在空洞中被进一步增强，因为那里本来几乎没有物质可相互作用，从而帮助揭示中微子物理的新线索。

空洞也正在成为研究暗物质和暗能量的独特探针。暗物质和暗能量是宇宙“标准模型”中的两个大问号，而标准模型是被广泛支持的基本力与现象框架。空洞也是探索暗能量性质和影响的理想空间。暗能量是描述导致宇宙膨胀速度加快之未知因素的笼统名称。由于空洞中物质不多，暗能量的性质更容易被清晰测量。皮萨尼解释说，在物质很多的区域，暗能量的影响不会同样明显；它存在，但我们很难真正看见。空洞不仅以暗能量为主，而且它们是宇宙中最先被这一成分主导的区域。

我们是否在空洞中？

即使空洞能揭示支配整个宇宙的巨大过程，它们也可能帮助我们理解自己在空间中的位置。一些科学家提出，我们银河系位于一个巨大的“超空洞”中，称为基南、巴格和考伊空洞，即KBC空洞，跨度约20亿光年。支持这一想法的证据包括我们周围星系数量低于预期，以及来自早期宇宙的古老振荡穿过我们所在区域时表现得像该区域物质不足。KBC空洞假设的庞大尺寸与标准模型并不完全一致，因为标准模型认为如此大的空洞不应存在。但如果这个假想中的超空洞确实存在，它可能解决标准模型中最棘手的问题之一：哈勃张力。科学家用宇宙中最古老的光和附近超新星测量宇宙膨胀速度，得到的结果不一致；这就是所谓哈勃张力。

朴茨茅斯大学宇宙学家因德拉尼尔·巴尼克认为，哈勃张力或许可以由“空洞假设”解决。这一假设认为，超新星测量结果被我们身处超空洞内部的位置扭曲。如果我们是站在一个巨大欠密区域中心向外看，就可能看到物体移动得更快，部分原因是它们被宇宙网中的本地结构引力吸引；这能解释为什么这些测量结果比早期宇宙给出的膨胀速度略有增加。巴尼克研究空洞假设已经数年。他说，越来越多研究者开始接受这一概念确实可能解释哈勃张力。皮萨尼和舒斯特都认为这个假设值得进一步探索，但两人也都没有完全被说服。

巴尼克说，在未来10年内，宇宙学界应该能够基于新观测“决定性地”检验这一假设。他还说，个人有信心，新观测会发现我们确实处于一个欠密区域。无论我们是否住在某种“禁止存在”式宇宙凹陷里，现在我们已比以往更深入地观察这些稀疏区域。这些巨大空隙可能藏着许多关于宇宙最持久问题的答案，只要我们能从阴影中找到它们。舒斯特说，未来十年左右即将开展的新巡天应该能真正帮助巩固这一领域，获得更多、更好的约束条件，并真正检验新物理。“我们正生活在宇宙学的黄金时代，尤其对于空洞研究而言。”