迷失在太空：一个巨大的空洞正在推动宇宙的分裂吗？

　　最近宇宙学中的“哈勃张力”，以相互矛盾的膨胀率测量为标志，引发了对标准宇宙学模型的质疑。一项新的理论认为，一个巨大的、密度低的空洞可以解释这些差异，这挑战了宇宙中物质分布的传统观点，并提出了对爱因斯坦引力理论的潜在改革。

　　宇宙学家提出，太空中存在一个巨大的空洞，作为“哈勃张力”的解决方案传统的模型，并建议对爱因斯坦的引力理论进行修正。

　　宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀的速度。这可以用宇宙学的标准模型来预测，也被称为λ冷暗物质(ΛCDM)。这个模型是基于对大爆炸遗留下来的光的详细观测——即所谓的宇宙微波背景(CMB)。

　　宇宙的膨胀使星系远离彼此。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是由“哈勃常数”决定的，它大约是每秒43英里(70公里)每百万秒差距(天文学中的长度单位)。这意味着一个星系离我们每一百万光年就会以每小时5万英里的速度增长。

　　但不幸的是，对于标准模型来说，这个值最近受到了争议，导致了科学家们所谓的“哈勃张力”。当我们使用附近的星系和超新星(爆炸的恒星)测量膨胀率时，它比我们根据CMB预测的膨胀率大10%。

　　艺术家对巨大虚空的概念，以及围绕它的细丝和墙壁。图片来源:Pablo Carlos Budassi

　　在我们的新论文中，我们提出了一个可能的解释:我们生活在太空中的一个巨大的空洞中(一个密度低于平均水平的区域)。我们表明，这可能会通过从虚空中流出的物质来膨胀局部测量。当真空周围密度更大的区域将其拉开时，流出物就会出现——它们会比真空内部密度更低的物质施加更大的引力。

　　在这种情况下，我们需要靠近一个半径约10亿光年的空洞的中心，密度比整个宇宙的平均密度低20%左右——所以不是完全空的。

　　如此大而深的空洞在标准模型中是意料之外的，因此也引起了争议。CMB给出了婴儿期宇宙结构的快照，表明今天的物质应该是均匀分布的。然而，直接计算不同区域的星系数量确实表明我们是在一个局部的虚空中。

　　改变万有引力定律

　　我们想进一步验证这个想法，通过匹配许多不同的宇宙学观测，假设我们生活在一个巨大的空间中，这个空间是由早期的小密度波动形成的。

　　为了做到这一点，我们的模型并没有采用ΛCDM，而是采用了另一种叫做修正牛顿动力学(MOND)的理论。

　　MOND最初被提出是为了解释星系旋转速度的异常，这导致了一种被称为“暗物质”的不可见物质的存在。相反，MOND认为，当引力非常弱时，牛顿引力定律就会失效，这可以解释这种异常现象——就像星系外部区域的情况一样。

　　在广义相对论中，整个宇宙膨胀历史与标准模型相似，但结构(如星系团)在广义相对论中会增长得更快。我们的模型捕捉到了在MOND宇宙中局部宇宙的样子。我们发现，它可以让今天的局部膨胀率测量值根据我们的位置而波动。

　　CMB温度波动:从9年的WMAP数据中绘制的婴儿宇宙的详细全天空图片显示了137.7亿年前的温度波动(以色差显示)。来源:NASA / WMAP科学小组

　　最近的星系观测使我们的模型得到了一个关键的新测试，该模型基于它在不同位置预测的速度。这可以通过测量所谓的体积流来实现，它是给定球体中物质的平均速度，无论密度大小。这随着球体半径的变化而变化，最近的观测表明它持续到10亿光年。

　　有趣的是，在这个尺度上星系的整体流动速度是标准模型中预期速度的四倍。它似乎也随着所考虑区域的大小而增加——这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。

　　这促使我们看到我们的研究预测了散装流量。我们发现它与观测结果非常吻合。这要求我们离空洞中心相当近，而空洞的中心是最空的。

　　情况下关闭?

　　我们的结果是在哈勃张力的流行解决方案陷入困境的时候出现的。一些人认为我们只需要更精确的测量。另一些人则认为可以通过假设我们在局部测量到的高膨胀率实际上是正确的来解决这个问题。但这需要对早期宇宙的膨胀历史稍加调整，这样CMB看起来仍然是正确的。

　　不幸的是，一篇有影响力的评论强调了这种方法的七个问题。如果宇宙在宇宙历史的绝大部分时间里膨胀速度快10%，那么它也会年轻10%——这与最古老恒星的年龄相矛盾。

　　在星系中存在一个深而延伸的局部空洞，计数和快速观测到的大量流动强烈表明，在数千万到数亿光年的尺度上，ΛCDM结构的增长速度比预期的要快。

　　这是哈勃太空望远镜拍摄到的有史以来最大的星系团的图像，当时宇宙的年龄只有现在138亿年的一半。这个星系团包含了几百个星系，它们在集体引力的作用下聚集在一起。根据哈勃望远镜的最新测量结果，这个星团的总质量估计相当于300万亿个太阳这样的恒星(大约是我们银河系质量的3000倍)——尽管大部分质量都以暗物质的形式隐藏起来了。暗物质的位置被绘制在蓝色的覆盖层中。因为暗物质不发射任何辐射，哈勃望远镜的天文学家精确地测量了它的引力是如何扭曲遥远背景星系的图像的，就像一面游乐场的镜子。这使他们能够对星团进行质量估计。2012年，x射线观测和运动学研究首次表明，该星团在早期宇宙中存在时，其质量异常巨大，因此该星团被昵称为El Gordo(西班牙语为“胖子”)。哈勃望远镜的数据证实，该星团正在经历两个较小星团之间的剧烈合并。来源:NASA, ESA和J. Jee(加州大学戴维斯分校)

　　有趣的是，我们知道大质量星系团El Gordo(见上图)在宇宙历史上形成得太早，质量和碰撞速度太高，无法与标准模型兼容。这进一步证明，在这个模型中，结构形成太慢了。

　　既然引力在如此大的尺度上是主导力量，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论——广义相对论——但只有在超过一百万光年的尺度上。

　　然而，我们没有很好的方法来测量引力在更大尺度上的行为——没有那么大的引力束缚物体。我们可以假设广义相对论仍然有效，并与观测结果进行比较，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矛盾。

　　人们认为爱因斯坦曾说过，我们不能用最初导致问题的思维来解决问题。即使所需的变化并不剧烈，我们也很可能见证了一个多世纪以来第一个可靠的证据，证明我们需要改变我们的引力理论。

　　作者:Indranil Banik，圣安德鲁斯大学天体物理学博士后研究员。

　　改编自一篇最初发表于The Conversation的文章。

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