巨大的虚空是否在驱使宇宙分崩离析？

宇宙学家提出了一个巨大的太空空洞作为"哈勃张力"的解决方案，挑战了传统模型，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。这可以通过宇宙学标准模型（又称兰姆达-冷暗物质（ΛCDM））来预测。这一模型是基于对宇宙大爆炸遗留下来的光线--即所谓的宇宙微波背景（CMB）--的详细观测。

宇宙的膨胀使得星系彼此远离。离我们越远的星系移动得越快。星系的速度和距离之间的关系受"哈勃常数"制约，即每兆帕秒（天文学中的长度单位）约为每秒 43 英里（70 千米）。这意味着一个星系每远离我们一百万光年，它的时速就会增加大约 5 万英里。

但不幸的是，对于标准模型来说，这个数值最近受到了争议，导致了科学家们所说的"哈勃张力"。当我们用附近的星系和超新星（爆炸的恒星）来测量膨胀率时，它比我们根据 CMB 预测的膨胀率要大 10%。

艺术家构想的巨型虚空及其周围的细丝和壁。图片来源：Pablo Carlos Budassi

在我们的新论文中，我们提出了一种可能的解释：我们生活在一个巨大的太空虚空（密度低于平均值的区域）中。我们的研究表明，这可能会通过虚空中的物质外流来膨胀当地的测量值。当虚空周围密度较高的区域将其拉开时，就会产生外流--它们会比虚空内部密度较低的物质产生更大的引力。

在这种情况下，我们需要靠近一个半径约 10 亿光年的虚空中心，其密度比整个宇宙的平均密度低约 20%--因此并非完全空无一物。

如此巨大而深邃的虚空在标准模型中是始料未及的，因此也备受争议。CMB 提供了宇宙雏形的结构快照，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，我们正处于局部空洞之中。

调整万有引力定律

我们想进一步验证这个想法，假设我们生活在一个大空洞中，而这个空洞是由早期的小密度波动形成的，从而与许多不同的宇宙学观测结果相匹配。

为此，我们的模型没有采用ΛCDM，而是采用了一种名为修正牛顿动力学（MOND）的替代理论。

MOND最初是为了解释星系旋转速度的异常而提出的，这也是人们提出"暗物质"这一不可见物质的原因。而 MOND 则认为，当引力非常微弱时，牛顿万有引力定律就会失效，星系外围区域就是这种情况。

MOND中的整体宇宙膨胀历史与标准模型类似，但结构（如星系团）在MOND中会增长得更快。我们的模型捕捉到了本地宇宙在MOND宇宙中可能的样子。我们还发现，它可以让今天的本地膨胀率测量值根据我们的位置而波动。

CMB 温度波动： 根据九年的 WMAP 数据绘制的幼年宇宙的详细全天空图，揭示了 137.7 亿年前的温度波动（以色差显示）。资料来源：美国国家航空航天局/WMAP 科学小组

最近的星系观测为我们的模型提供了一个重要的新测试，这个测试基于它在不同位置预测的速度。这可以通过测量一种叫做"体积流"（bulk flow）的数值来实现。"体积流"是给定球体中物质的平均速度，无论是否致密。它随着球体半径的变化而变化，最近的观测表明，它的半径可以延伸到 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预期速度的四倍。它似乎还随着所考虑区域的大小而增加--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。

这促使我们去看看我们的研究是如何预测体流的。我们发现它与观测结果非常吻合。这就要求我们离虚空中心相当近，而且虚空中心是最空的。

结案了？

我们的结果出现在哈勃张力的流行解决方案陷入困境的时候。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本地测量到的高膨胀率实际上是正确的膨胀率来解决这个问题。但这需要对早期宇宙的膨胀历史稍作调整，这样CMB看起来仍然是正确的。

不幸的是，一篇颇具影响力的评论强调了这种方法的七个问题。如果在宇宙历史的绝大部分时间里，宇宙膨胀速度加快10%，那么宇宙也会年轻10%--这与最古老恒星的年龄相矛盾。

星系数量计数中存在的深度和广度局部空洞，以及观测到的快速体积流，都有力地表明，在数千万至数亿光年的尺度上，结构的增长速度比ΛCDM中预期的要快。

这是哈勃太空望远镜拍摄到的有史以来最巨大的星系团图像，当时宇宙的年龄只有现在的一半，即 138 亿年。这个星系团包含几百个在集体引力作用下蜂拥而至的星系。根据新的哈勃测量结果，该星系团的总质量估计与我们的太阳一样重达 300 万亿颗恒星（约为我们银河系质量的 3000 倍）--不过大部分质量都作为暗物质隐藏起来了。暗物质的位置在蓝色叠加图中标出。由于暗物质不会发出任何辐射，哈勃天文学家可以精确地测量出暗物质的引力是如何扭曲远处背景星系的图像的，就像一面有趣的镜子。这使他们能够估算出星团的质量。这个星系团在 2012 年被昵称为"El Gordo"（西班牙语，意为"胖胖的那个"），当时的 X 射线观测和运动学研究首次表明，在早期宇宙中，这个星系团的质量异常巨大。哈勃数据证实，这个星团正在经历两个较小星团的剧烈合并。图片来源：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埃尔戈多（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，不符合标准模型。这进一步证明，在这个模型中，结构形成的速度太慢。

由于引力是如此大尺度上的主导力量，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论--广义相对论--但仅限于大于一百万光年的尺度。

然而，我们没有很好的方法来测量引力在更大尺度上的表现--没有那么大的引力约束物体。我们可以假定广义相对论仍然有效，并与观测结果进行比较，但恰恰是这种方法导致了我们最好的宇宙学模型目前所面临的非常严重的矛盾。

据说爱因斯坦曾说过，我们不能用导致问题产生的思维方式来解决问题。即使所需的改变不是翻天覆地的，我们也有可能看到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万有引力理论。

作者：Indranil Banik，圣安德鲁斯大学天体物理学博士后研究员。