宇宙空洞让时空旅行变慢？

“大爆炸的声音”表明地球可能位于一个 20 亿光年宽的宇宙空洞中

我们证明了空洞模型比无空洞模型的可能性大约高出一亿倍。”

一个星系正被封闭在低密度的哈勃气泡中（图片来源：罗伯特 ·李）

地球、银河系以及更广泛的宇宙区域，位于一个比宇宙其他部分更低密集度的空洞之中。如果真是这样，这将解决宇宙学中一个长期以来最令人沮丧的问题，即“哈勃张力”。

新的研究表明，来自宇宙初始时刻的“重子声学振荡（BAOs）”，可以将其想象成“大爆炸的声音”，一定程度上支持了局部空洞或“哈勃气泡”的概念。

“哈勃效应”源于这样一个事实：当采用不同的测量方法时，宇宙膨胀的速度（即所谓的哈勃常数）也不同。一种方法通过对本地宇宙的天文观测来确定哈勃常数，而另一种方法则是将整个宇宙的平均值作为其数值。这意味着，如果本地宇宙处于低密度的“哈勃气泡”中，那么它会比密度更高、范围更广的宇宙膨胀得更快，这就解释了为什么观测结果给出的哈勃常数值更大，宇宙膨胀速度也更快，而理论上的平均值则较慢。

研究作者、朴茨茅斯大学的因德拉尼尔·班克在一份声明中表示：“这种不一致现象的一个潜在解决方案是，我们的星系靠近一个大型的、局部的空洞中心。这会导致物质在引力作用下被拉向空洞外部的高密度区域，从而使空洞随着时间的推移变得越来越空旷。”随着空洞逐渐变空，远离我们的物体的速度会比空洞不存在时更快。因此，这就会呈现出一种局部膨胀速度更快的假象。”

哈勃张力：是“局部问题”吗？

计算哈勃张力有两种方法。其一，科学家们观测一种被称为“宇宙化石”的现象，即宇宙微波背景（CMB）。这是最初能够自由在宇宙中传播的光线，即 CMB 是一种几乎均匀且全面地充满整个宇宙的辐射场。科学家们可以通过 Lambda 冷暗物质模型（LCDM），这一宇宙学的模型来观测 CMB 并利用其演变完成计算。由此，得出宇宙当前的哈勃常数值，而不仅是局部的数值。

另外，天文学家还会利用 Ia 型超新星或变星的观测数据（变星是天文学家所称的“标准烛光”中的两种例子）来测量其所在星系的距离。这些星系远离地球的速度可以通过这些天体发出光线的波长变化（即“红移”）来确定。红移值越大，星系远离地球的速度就越快。通过这种方法可以计算出哈勃常数。但问题在于，这种对本地宇宙的观测方法得出的哈勃常数值大于通过考虑整个宇宙的“la”模型所得到的理论值。因此就出现了哈勃张力现象。

重子声学振荡（BAOs）——“大爆炸之声”——支持了局部空洞存在的观点。（图片来源：加布里埃拉·塞卡拉，圆周理论物理研究所）

班尼克将差异化归于局部问题

“哈勃张力很大程度上是一偶然现象，几乎没有证据表明膨胀率与标准宇宙学的预期不一致，”班尼克说。“所以，像局部空洞这样的个别解决方案是解决问题的一种很有希望的方法。”

要使这种局部空洞理论解决哈勃常数的矛盾，地球和太阳系就必须大致位于低密度哈勃泡的中心。要使这种局部空洞理论解决哈勃张力问题，地球和太阳系就必须大致位于低密度哈勃泡的中心。哈勃泡的直径大约要达到 20 亿光年，其密度要比宇宙平均物质密度低约20%。

的确，对该地宇宙中星系数量的统计表明其密度低于宇宙相邻区域的密度。

然而，一个重大障碍在于，如此巨大的虚空的存在与“勒梅特-迪安-霍尔特-麦克斯韦模型”（即“冷暗物质模型”）并不相符。该模型认为物质应当在各个方向上均匀分布，或者说“在整个宇宙中呈‘各向同性和均匀’分布”。

插图显示了一个没有比例的银河系坐落在宇宙中一个孤独的空洞中。（图片来源：罗伯特·李）

班尼克获取的新数据表明，被称为“重子声学振荡”（简称 BAO）的宇宙大爆炸声实际上支持了局部空洞的概念，这与“标准宇宙模型”（LCDM）的观点相悖。“这些声波在宇宙冷却到足以形成中性原子时才暂时停止传播，并固定在原地不动状态。”班尼克解释道。“它们就像一个标准尺子，其角度大小我们可以用来描绘宇宙的膨胀历史。”班尼克认为，局部空洞会略微扭曲 BAO 角度尺度与红移之间的关系。这是因为局部空洞引起的速度变化及其引力效应除了由宇宙膨胀引起的红移之外，还会进一步增加红移。

班尼克补充道：“过去 20 年内所有可获取的 BAO（宇宙背景涨落）测量数据，发现，存在空洞的模型比没有空洞的模型要多出约一亿倍的可能性。而这种没有空洞的模型的参数设定正是为了与‘普朗克卫星’所获取的宇宙微波背景观测结果相匹配，即所谓的‘普朗克均匀宇宙学’。”

班尼克及其团队接下来会通过空洞模型与其他模型的比较，重现宇宙的膨胀历程。

这可能需要使用“宇宙计时器”——不断演变的庞大宇宙天体，比如星系，通过观测这些星系中的恒星群体并了解恒星类型并确定宇宙膨胀的速度随时间的变化情况。观察恒星群时，没有短寿命的大型恒星就意味着其年龄更久远。然后，将这个年龄与星系光线在宇宙膨胀过程中传播至我们这里时所经历的红移值进行比较，揭示宇宙在宇宙时间尺度上的膨胀历史。解决哈勃张力带来的困扰。该团队的研究由班尼克于 7 月 7 日（周一）在英国杜伦大学举行的皇家天文学会 2025 年全国天文学会议上进行展示。

BY:Robert Lea

FY: Jane

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