我们整个银河系,会不会都住在一个巨大的宇宙空洞里?
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如果真是这样,人类测量宇宙时遇到的一场怪事,可能就有了另一种解释。问题未必出在宇宙本身,而可能出在我们站的位置上。
这场怪事,说起来很简单:同一个宇宙,科学家竟然测出了两种不同的膨胀速度。
你可以把宇宙想象成一张正在被拉开的网,银河系和其他星系就分布在网上。随着空间膨胀,遥远星系与我们的距离不断增加。总体而言,距离越远,退行速度就越快。
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可这张网究竟拉开得有多快?
一批科学家把目光投向宇宙最古老的光。这些光来自大爆炸之后大约三十八万年,保留着早期宇宙的痕迹,像一张婴儿时期的照片。
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根据这张照片,再结合目前的宇宙学模型,他们推算出今天的膨胀速度,大约是六十七点四。
另一批科学家走了不同的路。他们利用能够帮助判断距离的恒星和超新星,一步步测量星系有多远,再结合星系的退行速度,得到的结果却在七十三左右。
这里的单位,指的是每增加一百万秒差距,退行速度增加多少千米每秒。你只要记住,两种方法给出的答案,相差大约百分之九。
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看起来不多,却足以让科学家头疼。
因为他们想测的是同一个量:今天的宇宙到底膨胀得有多快。
这就是所谓的哈勃张力。
有人怀疑测量环节还藏着误差,有人认为现有模型可能少了某种关键成分。但还有人提出了一个让人意外的思路。
我们会不会住在一片特别空旷的地方?
要理解这句话,先把视野拉出银河系。
我们平时看到的宇宙照片,总是布满星光,仿佛任何方向都有数不清的星系。可当科学家把大量星系的位置标在同一张地图上,宇宙却显露出了另一副模样。
星系并没有均匀地撒满空间。
它们有的聚成团,有的连成长丝,有的铺展成巨大的墙。那些明亮结构彼此连接,形成一张跨越惊人距离的宇宙网。
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而网的中间,存在着大片星系稀少的区域。
这就是宇宙空洞。
你可以把它想象成一片大陆。城市沿着交通干线密集分布,中间却隔着辽阔的荒野。
荒野里也有人居住,只是人口密度远低于城市。
宇宙空洞也是如此。里面仍然可能有星系、有气体,也有暗物质。它没有一道坚硬的外壳,也没有清清楚楚的洞口,只是一片物质相对稀少的空间。
真正值得追问的是:我们的银河系,会不会就在这样一片大范围的稀疏区域里面?
这个猜想并不是凭空冒出来的。
二〇一三年,一组研究人员统计周围星系的近红外光,发现了一种值得注意的趋势:在他们分析的数据里,较近区域的星系光度密度偏低,往更远处看,密度反而升高。
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后来,这个可能存在的大范围低密度区域,被称为KBC空洞。
不过,数到的星系少一些,究竟意味着什么,还需要进一步判断。
它可能反映真实的物质分布,也可能受到星系亮度、观测范围,以及距离估算等因素影响。
但如果这种低密度结构确实存在,它又怎么影响我们测量宇宙呢?
关键在引力。
想象你住在一片空旷的平原上,周围远处却分布着人口密集的城市。换到宇宙里,物质更多的区域会产生引力作用,影响附近星系的运动。
在一个低密度区域周围,物质可能出现向外流动的趋势。
这样一来,我们观测到的星系运动,就不只包含空间膨胀带来的部分,还可能混进了当地物质分布造成的额外运动。
就像你站在岸边,看一艘船远离。
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船的速度里,既有它自身航行的部分,也有水流推动的部分。要判断船本身开得多快,就得弄清楚水流贡献了多少。
测量宇宙,也有类似的困难。
如果没有充分考虑我们所在区域的这种影响,就可能把部分额外运动,算进宇宙膨胀的账里。
于是,从附近测出来的膨胀速度,看上去就偏高了。
这个解释最吸引人的地方,是它把一个看似属于整个宇宙的难题,拉回了我们居住的这一片地方。
但事情到这里,还远远没有结束。
宇宙中存在空洞,和银河系位于一个足以解释哈勃张力的巨大空洞里,是两件需要分别验证的事。
空洞有多大?内部少了多少物质?我们在其中什么位置?这些条件只要变一变,最后算出的影响就可能不同。
有些研究认为,合适的空洞模型能够明显缓解两种测量之间的差距。
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但也有研究发现,直接距离测量所支持的结构,没有某些模型要求的那么巨大,造成的影响也可能不够强。
还有一个很容易被忽略的问题。
我们看到的星光,并不等于宇宙里全部的物质。
暗物质不会像恒星一样发光。某片区域看上去星系较少,不能立刻认定那里所有物质都按同样比例减少。
更麻烦的是,我们隔着银河系向外观察。银河系自身的恒星和尘埃,会遮挡部分方向,让这张宇宙地图留下缺口。
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所以,科学家需要把不同方法得到的地图放到一起比较。
星系分布告诉我们哪里明亮,直接距离测量帮助区分空间膨胀与额外运动,引力透镜则能帮助追踪包括暗物质在内的物质分布。
如果我们真的住在一个影响巨大的空洞里,这些线索就应该能够相互印证。
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而且,随着观测范围扩大,走出这个区域,它带来的影响也应该出现相应变化。
这些都是可以检验的预测。
目前,我们还不能宣布,宇宙空洞已经解决了哈勃张力,更不能说人类对宇宙的认识全部错了。
但这个问题,确实提醒了我们一件事。
我们从来没有站到宇宙外面,俯视它的全貌。
我们一直待在银河系里,隔着恒星、尘埃,以及周围复杂的物质结构,试着判断整个宇宙发生了什么。
也许,最后需要修改的是模型,也许是某个测量环节。
也可能,我们必须先弄清楚,自己究竟住在怎样的地方。
因为想知道整个宇宙膨胀得有多快,第一步,可能是先认清自己的宇宙地址。
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