摘要：宇宙学领域的一项突破性研究表明，我们的太阳系和银河系可能位于一个物质密度比宇宙平均值低20%的巨大"宇宙空洞"内。这一发现不仅挑战了人们对宇宙结构的传统认知，更为困扰天体物理学界多年的"哈勃张力"问题提供了令人信服的解释。英国研究团队通过分析过去20年收集的重

信息来源：https://scitechdaily.com/new-measurements-show-we-may-live-in-a-giant-cosmic-void/

宇宙学领域的一项突破性研究表明，我们的太阳系和银河系可能位于一个物质密度比宇宙平均值低20%的巨大"宇宙空洞"内。这一发现不仅挑战了人们对宇宙结构的传统认知，更为困扰天体物理学界多年的"哈勃张力"问题提供了令人信服的解释。英国研究团队通过分析过去20年收集的重子声学振荡数据，发现存在局部空洞的宇宙模型与观测数据的符合程度比标准宇宙学模型高出约一亿倍。

这项发表在《皇家天文学会月刊》上的研究，利用早期宇宙中声波传播留下的"宇宙指纹"来检验空洞假说。研究结果显示，如果我们确实生活在这样一个巨型空洞中，那么现有宇宙学模型中最令人困惑的矛盾之一——局部宇宙膨胀速度异常——就能得到合理解释。

哈勃张力危机的深层困扰

新的研究表明，我们可能生活在一个巨大的宇宙空洞中，那里的星系和物质数量远少于预期。这一发现或许可以解释为什么我们周围的宇宙膨胀速度似乎比模型预测的要快，这个谜题被称为“哈勃张力”。图片来源：SciTechDaily.com

当代宇宙学正面临一场前所未有的危机。通过观测遥远星系的运动，科学家发现局部宇宙的膨胀速度比标准宇宙学模型预测的快了约10%。这个被称为"哈勃张力"的现象已经困扰科学界十余年，威胁着人们对宇宙演化的基本理解。

传统的解释方法通常涉及修正基础物理定律或添加新的宇宙学成分，但这些方案往往会引发其他理论问题。相比之下，局部空洞假说提供了一个相对简洁的解释框架：如果我们恰好生活在一个物质密度较低的宇宙区域内，那么这个区域的物质会受到外部更致密区域的引力影响而不断流出，从而加速局部的膨胀过程。

研究团队的核心成员Indranil Banik解释说，空洞内部的物质分布稀疏导致引力场较弱，使得哈勃常数的测量值在这一区域内会系统性地偏高。这种效应的幅度恰好与观测到的哈勃张力相匹配，为这一长期困扰提供了自然的解释。

宇宙微波背景辐射的精密观测为早期宇宙提供了极其详细的"快照"。这些观测显示，在宇宙诞生后约38万年时，声波在热等离子体中传播，在密度分布上留下了特征性的波纹模式。这些原始声波的"回声"不仅保存在宇宙微波背景辐射中，也体现在今天星系的大尺度分布上。

重子声学振荡揭示宇宙结构

重子声学振荡代表着宇宙大爆炸的声音。图片来源：Gabriela Secara，圆周研究所，CC BY-SA

重子声学振荡代表着宇宙早期声波传播的化石证据，为宇宙学家提供了测量距离和膨胀速度的"标准尺"。这些振荡在星系分布中表现为特定尺度上的聚集增强，其角度大小直接反映了宇宙的几何结构和膨胀历史。

在正常情况下，重子声学振荡的角尺度与红移之间存在可预测的关系。然而，如果观测者位于一个低密度的空洞内，这种关系会发生系统性的偏移。空洞内部的物质运动和引力环境会影响光传播的路径，使得重子声学振荡特征在天空中看起来比预期的更大。

研究团队通过分析过去20年积累的重子声学振荡观测数据，检验了这一理论预测。他们发现，在低红移（即较近距离）处，观测到的重子声学振荡角尺度确实比标准模型预期的要大，而且这种偏差的程度和红移依赖性都与局部空洞模型的预测高度一致。

更重要的是，统计分析显示，包含局部空洞的宇宙模型与观测数据的符合程度远远超过标准的ΛCDM模型。具体而言，不含空洞的标准模型与重子声学振荡数据存在"3.8西格玛张力"，这相当于一枚公平硬币连续13次正面朝上的概率——在科学研究中这被认为是极其不可能的巧合。

宇宙空洞的形成机制

图示显示，沿着原始声波（标记为蓝色）的涟漪形成的星系比其他地方略多。随后，星系环随着宇宙的膨胀而伸展。为了更容易看到这种效果，图中其他星系被调暗。图片来源：NASA

宇宙空洞并非静态结构，而是在宇宙演化过程中动态形成的低密度区域。在宇宙早期的微小密度扰动中，一些区域的物质密度略低于平均值。随着宇宙的演化，这些区域内的稀少物质受到周围致密区域的引力作用而不断流失，最终形成了几乎空旷的巨大空洞。

现代宇宙学模拟显示，这样的空洞在宇宙大尺度结构中并不罕见，它们与星系纤维结构和团块共同构成了宇宙的"海绵状"分布模式。然而，如果我们的银河系恰好位于一个特别巨大的空洞中心附近，这将对我们观测到的宇宙膨胀产生显著影响。

该研究提出的局部空洞直径约为20亿光年，是已知最大宇宙空洞的数倍。在这样的空洞内部，星系数量比宇宙平均值少约20%，相应的物质密度也显著降低。虽然这听起来可能不算太大的差异，但在宇宙学尺度上，这种差异足以产生可观测的效应。

观测证据的多重验证

除了重子声学振荡数据外，还有其他观测证据支持局部空洞假说。对附近星系分布的统计分析显示，我们周围确实存在星系密度相对较低的区域。一些独立的研究也发现，在几十兆帕秒距离范围内，星系的分布模式与空洞环境的预期一致。

超新星观测提供了另一条证据线索。Ia型超新星作为"标准烛光"被广泛用于测量宇宙距离，如果我们位于空洞中，那么来自不同方向和距离的超新星亮度分布应该呈现特定的模式。一些研究确实发现了与空洞预期相符的系统性偏差，尽管这些信号相对微弱且需要更多数据来确认。

宇宙微波背景辐射的温度分布也可能保留空洞的印记。通过所谓的"综合Sachs-Wolfe效应"，大尺度结构会在宇宙微波背景上留下温度变化的痕迹。如果我们确实位于一个巨大空洞中，这种效应的特征应该在数据中有所体现，尽管信号极其微弱。

理论意义与未来验证

局部空洞假说如果得到证实，将对宇宙学产生深远影响。首先，它意味着哈勃张力可能并不需要修正基础物理定律来解决，而是我们观测位置的特殊性导致的系统效应。这将维护标准宇宙学模型的基本框架，同时解释观测中的异常现象。

其次，这一发现将强调观测者效应在宇宙学中的重要性。长期以来，宇宙学原理假设宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的，但如果我们恰好位于一个异常区域，那么局部观测可能无法代表宇宙的整体性质。这提醒科学家在解释观测结果时需要考虑位置偏差的可能性。

然而，空洞假说也面临一些挑战。最主要的质疑是，如此巨大且深度的空洞在宇宙中出现的概率相当低，我们恰好位于其中的可能性似乎过于巧合。此外，一些其他的宇宙学观测，如引力透镜效应和星系团的分布，也需要与空洞模型保持一致。

未来几年将是检验这一假说的关键时期。新一代的星系巡天项目，如欧几里得空间望远镜和韦拉·鲁宾天文台，将提供更精确的重子声学振荡测量数据，特别是在低红移范围内。这些观测将能够确定性地验证或排除局部空洞假说。

同时，改进的宇宙学模拟将帮助科学家更好地理解空洞的形成机制和演化历史，计算我们位于如此空洞中的真实概率。如果这一概率确实极低，那么可能需要寻找其他机制来解释观测到的现象。

来源：人工智能学家