摘要：不久前天文学家再次确认，我们的银河系似乎真的位于一个巨大的宇宙空洞中。该空洞直径超过10亿光年，空洞内物质密度比宇宙平均密度低了20%，它就是天文学界流传已久的“KBC空洞（KBC Void）”。
不久前天文学家再次确认，我们的银河系似乎真的位于一个巨大的宇宙空洞中。该空洞直径超过10亿光年，空洞内物质密度比宇宙平均密度低了20%，它就是天文学界流传已久的“KBC空洞（KBC Void）”。
—— KBC空洞 ——
很多人印象中，宇宙应该是星罗密布、结构复杂，星系汇聚成星系团，星系团构成超星系团，超星系团再组成超星系团复合体以及星系长城等大尺度纤维状结构，最终它们会编织成一张巨大的三维宇宙网。这个宇宙网就像一块海绵的内部，除了星系密集的区域，中间还有许多孔洞，这些孔洞就是宇宙中一种特殊的大尺度结构——宇宙空洞（Cosmic Void）。注意，虽然叫“空洞”，但这里并非真的空无一物，只是说这里的物质相对稀疏，星系数量显著低于平均水平。
为什么宇宙中的物质不是均匀分布，而是形成这种布满空隙的网状结构呢？原因说来也简单，就是万有引力，宇宙最初的密度扰动在万有引力作用下使物质聚集成了现在的样子。
在宇宙微波背景（CMB）都还没诞生的宇宙极早期，当某处的暗物质密度略高于周围时，它就会在引力的作用下相互聚集。慢慢的，这些暗物质组成的结构就成了后来普通物质“生长”的骨架。之后，普通物质开始附着并嵌入到这些暗物质团块中，进一步聚集成更高密度的天体，比如恒星以及由恒星组成的星系。对于密度较低的区域，由于物质被周围的引力吸走，这些区域变得越来越空，最终形成了后来的空洞。
空洞的存在并非只是理论推测，早在几十年前它们就已经被天文学家通过星系普查和红移测量发现了。随着观测手段的进步，如今我们已能清晰地绘制出宇宙中的空洞分布图。比如离我们最近的本地空洞（Local Void），它紧挨着本星系群，跨度至少超过1.5亿光年。目前该空洞还在继续扩大，就连我们的银河系也正在以接近100万公里/小时的速度向外逃离空洞。除了本地空洞外，还有许多耳熟能详的空洞，比如牧夫座空洞（Boötes Void）、波江座空洞（Eridanus Supervoid）以及我们今天的主角——“KBC空洞（KBC Void）”。
通常的空洞都是先在某个位置发现，然后才给它起个“某某空洞”的名字。但是KBC空洞是个例外，它是以三位研究人员姓氏的首字母命名的。为什么不用位置来命名？这个KBC空洞到底在哪呢？其实它不在天空的任何位置，因为我们就在它的内部！
先前人们一直认为我们的宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的，也就是所谓的“宇宙第一原理”，后来关于星系数量的观测结果显示，我们附近的星系密度似乎比远处的要稀疏。为了探明这个问题，2013年，三位天文学家一共分析了3.5万个星系的光谱，结果不出所料：在距离我们10亿光年的范围内，星系的密度明显偏低，而当超过这个范围后，星系的密度突然提高到了之前的1.5倍。这就像宇宙里存在一个巨大的“气泡”，而我们正身处其中。
由于KBC空洞的提出主要是通过“数星系”的方法，也就是比较下附近的星系密度是不是和远处的一样，但是这种方法存在一个弊端，就是它很容易受到干扰，比如距离越远我们的视线就越有可能被尘埃遮挡，这样一来远处的星系就很容易被漏数。正因如此，目前天文学界对KBC空洞的存在一直存在争议。那有没有其他什么办法来证明KBC空洞的存在呢？
—— 验证KBC空洞 ——
2025年5月，一篇发表在《皇家天文学会月刊》上的文章中，两位天文学家提出了一个巧妙的办法来验证KBC空洞的存在——通过重子声学振荡（BAO）。
关于重子声学振荡，相信老观众们都不陌生。简单说，它是宇宙形成之初，重子物质在光压的推动下，像“声波”一样形成的泡状结构。之后，随着重子聚集成一个个星系，这些泡状结构便反应在了后来的星系分布上。重子声学振荡形成的泡状结构就像是一把巨型标尺，可以用来进行宇宙级的大尺度测量。但是这把“尺子”也有个弊端，因为它不是直接“看到”距离有多远，而是通过星系的红移和角度间接推导出的距离，所以它非常依赖光谱红移的准确性。
只是换了把“尺子”，而且还是有“缺陷的尺子”，怎么就能判断我们在不在空洞中了呢？欸，天文学家利用的正是它的这个“缺陷”——依赖红移。
假如我们身处一个巨大的空洞中，那么根据广义相对论会有两个效应。首先，由于空洞周围的密度更高，有着更强的引力，所以空洞内部的大部分星系（尤其是靠近边缘的）会整体呈现出“往外跑”的运动趋势，这种运动叫做“本动运动（Peculiar velocity）”，它是一种排除了宇宙膨胀的运动。假如我们真的在空洞中，那我们之前对很多星系退行速度的判断，可能会因为掺杂了这种本动速度而被高估。也就是这些星系原本跑得没那么快，但是因为外面有人在拽它们，所以它们的退行速度变快了。
其次，如果把空洞看成一个均匀的球，由于球体内部的引力分布是越靠近中心引力越小，越靠外面引力越大，所以那些向外逃离的星系其实是在向更深的引力势阱中运动。此时，这些星系发出的光需要消耗更多的能量来逃离引力势阱，表现出来就是光子的波长变长了，该现象被称为“引力红移（gravitational redshift）”，它会让那些星系的光谱出现额外的红移。也就是说，这些星系原本跑得没那么快，但是因为它们的光谱除了空间膨胀导致的宇宙学红移外还包含了一部分引力红移，所以它们的退行速度又被高估了。
总的来说，假如我们真的位于空洞之中，那么“本动速度”和“引力红移”这两个原因会导致我们对周围星系的退行速度产生误判，而这将影响我们对宇宙膨胀速度（也就是哈勃常数）的计算。
关键的地方来了：目前天文学界对哈勃常数的测量还真就有争议。还记得之前介绍过的“哈勃冲突（Hubble tension）”吗？哈勃冲突也叫哈勃常数危机，它说的是人们基于超新星测得的哈勃常数和基于宇宙微波背景（CMB）测得的哈勃常数两者始终对不上。CMB测量的哈勃常数是67 km/s/Mpc，而超新星方式测量的结果是73 km/s/Mpc。也就是说，超新星方式认为我们的宇宙膨胀得更快一些。
这个差值是怎么产生的，目前众说纷纭。有说是观测设备问题，早期的哈勃望远镜测的不准，但是后来，JWST的观测结果证明了哈勃的观测没有问题；也有说是宇宙中的物质分布不均，各个地方的钟慢效应程度不同导致的（时间景观模型）；甚至还有说是宇宙本身在旋转导致的……同样，KBC空洞的存在也是对哈勃冲突的一种解释。
由于超新星的测量对象主要是我们周围的星系，所以这些星系如果也和我们一样位于空洞内部，那它们退行速度偏高这事就说得通了——因为它们都在逃离空洞。这也正是该方法的巧妙之处——因为我们在空洞中，所以造成了哈勃冲突问题；因为存在哈勃冲突，所以证明我们在空洞中！
这并不是循环论证，研究人员整理了过去20年里关于BAO的所有观测数据，他们发现，在较高红移时（z > 0.5）观测结果与标准模型吻合得很好，但当红移下降到0.2以下时，观测值开始明显偏离模型预测。也就是说，除了“数星系”外，BAO的方法也表明了银河系周围的环境确实要比理论预期更空旷，我们似乎真的位于空洞之中。此外，研究人员还尝试对该空洞建立了数学模型。经过对比三种不同的空洞模型，最后他们发现，还是KBC空洞模型最符合观测数据。
虽然KBC空洞的存在是对哈勃冲突问题的一个非常自然的解释，但是这项研究仍然不能一锤定音。因为这里面还是存在一些不确定性，比如目前的BAO在低红移区域样本数量并不多，数据噪声依然很大，仍需要更多观测支持。不过该研究确实也提供了一个非常关键的思路：就是宇宙并非真的均匀，我们周围的宇宙并不能代表整个宇宙。解决哈勃冲突不一定非得依赖“新物理”或者“动态暗能量”这些设定，也许局域环境的不均匀性才是那把解决问题的关键钥匙。
[1] R. C. Keenan, A. J. Barger, and L. L. Cowie. EVIDENCE FOR A ∼300 MEGAPARSEC SCALE UNDER-DENSITY IN THE LOCAL GALAXY DISTRIBUTION. The Astrophysical Journal. 775(1). 62. (2013)
[2] Indranil Banik, Vasileios Kalaitzidis, Testing the local void hypothesis using baryon acoustic oscillation measurements over the last 20 yr, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 540, Issue 1, June 2025, Pages 545–561. (2025)
来源：Linvo说宇宙