为了解释宇宙微波背景辐射图上的奇异冷斑，一些科学家提出了一个听起来更加奇怪的理论：在这个方向上有一个非常巨大、里面几乎没有任何物质的空洞。
撰文 伊什特万 · 绍普迪（István Szapudi）
翻译 盘军
如想一窥宇宙中最古老的光，只需要调节老式电视机，让它偏离频道就行：屏幕上那些跳动闪烁的小雪花，就是电视天线被宇宙光子无休止地轰击的结果，这些光子诞生于大概138亿年前，即大爆炸之后不久。它们在空间中向着四面八方运动，分布非常均匀。这些平均温度为2.7开的光子构成了弥漫在整个宇宙中的辐射，被称为宇宙微波背景辐射（CMB）。这些光子的年代极久远，因此，人们所熟知的CMB二维图往往被叫做宇宙的“婴儿照”，它为我们开启了一扇窗户，供我们追溯已演变成今日世界的宇宙的原初状态。
但是，宇宙的婴儿照有一些不完美的地方。像我这样的物理学家，一般会把这些瑕疵称为反常现象，因为它们无法用标准的宇宙学理论来解释。最为明显的一处反常是研究者在2004年发现的，在美国航空航天局（NASA）的威尔金森微波辐射各向异性探测器（WMAP）绘制的CMB图上，有一块大概有20个满月排列起来那么宽的天区，来自这个天区的远古光子，温度低得不同寻常。科学家把这个区域命名为“冷斑”。冷斑并不是婴儿照的美人痣：对一些人来说，它是破坏了CMB壮丽对称性的丑陋瘢痕；但对另一些人而言，这反而凸显了宇宙的个性，更让人兴奋。我属于后者，我总是着迷于CMB的反常现象和导致这些反常的原因。
CMB图上的严重瑕疵：一个巨大的冷斑
冷斑之谜在科学家中间激发了很多讨论。一种解释是，它不过是个纯粹的偶然现象，没有什么特别的原因。但是，这样的偶然事件发生的概率是极低的，大概只有二百分之一。其他的可能解释五花八门，有些平淡无奇，把它归咎于测量仪器的偏差；有些则相当奇幻，认为冷斑是通向另一个宇宙或隐藏维度的门户。
2007年，根据宇宙的一些已知性质进行适当的外推后，我和其他天体物理学家迸发了灵感。我们意识到，如果宇宙中存在一个超级空洞的话，即一片物质和星系相对而言都非常稀少的广大空间，那么同一片天区就应该会出现冷斑。这个空洞应该是宇宙空间中最空的区域，一个被物质相对稠密的周边环境所包围的、罕见的巨大荒漠。这个理论意味深长。如果这样的空洞的确存在，并如我们所推测的那样导致了冷斑的出现，那么由于某些复杂的原因，这个巨大的空洞也为暗能量的存在提供了证据，而暗能量正是理论上导致宇宙加速膨胀的元凶。现在，我和夏威夷大学的同事已经确认了空洞的存在，并逐渐找到了能够解释冷斑成因的诱人线索。
穿越空洞
科学家在考虑了光与较小空洞之间的相互作用机制后，推测超级空洞可能存在，并能产生冷斑。我们设想的超级空洞是一个极端的特例，但中等大小的普通空洞，就是包含星系数目相对较少的区域，在宇宙中是很常见的。与空洞概念相反的是星系团，是由数量可达上千的星系组成的联合体。宇宙学家认为，空洞和星系团的种子产生于极早期宇宙，那时随机量子过程会导致某些区域物质密度稍低，另一些区域物质密度稍高。高密度区域所含物质质量更大，产生的引力更强，随着时间的推移，会不断将低密度区域的物质吸引过来。高密度区域最终会演化成为星系团，而低密度区域则会变成空洞。
因为空洞中几乎没有物质，对穿越该区域的物体来说，它们像一座座山丘。当粒子进入空洞，离开周边高密度区域时，受高密度区域的强引力场的拖曳，粒子会逐渐慢下来，就像球滚上山丘；一旦粒子开始启程离开空洞，向周边的高密度区域运动，粒子就会开始加速，如同球滚下山丘。CMB光子的行为与此类似，尽管速度不变（光速是恒定的），但光子的能量发生了变化，而光子能量与它们的温度成正比。当光子进入空洞时，它爬上了这座山丘，损失了能量，也就是说它的温度变低了。而当光子从山丘的另一侧滚下去时，会重新获得损失的能量。因此，光子到达空洞的另一边时，它的温度应该和开始进入空洞时一样——如果宇宙没有加速膨胀的话。
但在过去20年里，科学家发现宇宙不仅在膨胀，而且还是在加速膨胀。绝大部分宇宙学家认为是暗能量导致了加速。暗能量目前还是个理论概念，它是空间中的一种负压力，能对抗引力的吸引作用。宇宙的加速膨胀让“山丘”的作用有所改变，对CMB光子而言，这意味着当它穿越空洞时，包围着山丘的平原实际上也在升高，因此山丘另一侧的平原会比这边的平原高。这样一来，光子在脱离空洞时，并不能补回“爬山”时所损失的全部能量。总效应就是CMB光子在穿越空洞后会损失能量。因此，在宇宙微波背景图上，在低密度区域附近会出现低温区。这种现象叫做积分萨克斯－沃尔夫效应（Integrated Sachs-Wolfe effect, 缩写为ISW）。这种效应也会在星系团区域出现，只是在这种情形下，光子在穿越巨大物质团块所在区域时会获得额外的能量。
ISW效应是如何起作用的？？
当光穿越超级空洞时，就像球滚过山丘。因为超级空洞内缺乏物质，它的引力吸引作用要比周边高密度区域要小，这就会使得落入的物体像滚上山丘的球一样慢下来。而当这个物体脱离空洞时，就会像滚下山丘的球一样加速前进。光不会减速或者加速，但是它会损失或者获得能量，它的能量与温度直接成正比。
在静态宇宙里，光在进去时损失的能量和出来时获得的能量是一样的，但是宇宙的加速膨胀会改变这一局面。在光穿越空洞的同时，空洞以及所有的空间都在变大，就像围绕着山丘的平原在球越过山丘这段时间内抬升了，所以山丘另一侧的地面会比开始时这一侧的地面高。因此，光并不能拿回所有损失掉的能量，它们从空洞出来时会比进去时更冷。
ISW效应理应很微弱。即使对于较大的空洞来说，该效应造成的温度变化一般也比CMB本身的平均温度涨落还要低——平均温度涨落的幅度大概只有万分之一，源于CMB光子发出时新生宇宙中物质密度的涨落。但是我们注意到，如果确实有特别大的空洞，即超级空洞，ISW效应导致的温度差异很可能足以产生冷斑。如果我们能够证明超级空洞的确存在，而且也是反常现象背后的驱动力，那么我们就可以在解释冷斑的基础上开展更多的工作。我们可以为暗能量存在提供确凿的证据，因为仅当暗能量对宇宙起作用，即宇宙加速膨胀时，ISW效应才会发生。
第一条线索
2007年，天文学家开始搜寻与冷斑重叠的超级空洞。探测这样一个大结构，说起来容易做起来难。大多数天文巡天观测只生成二维的天图，不能告诉我们天图里的天体有多远。我们看到的星系可能全部聚集在一起，也可能在视线方向上分散得特别远。对每一个星系，天文学家都需要收集更多额外的信息，方能估计其距离，而这样的工作是非常费力的，而且成本也往往高到难以承担的程度。
2007年，美国明尼苏达大学的劳伦斯·鲁德尼克（Lawrence Rudnick）与合作者们在研究射电波段的NVSS星系表（美国国家射电天文台甚大阵巡天星系表）时，发现在一块与冷斑位置大致重叠的区域里，星系数量比平均数量少。尽管NVSS没有任何有关星系距离的数据，天文学家却知道NVSS中绝大部分星系离我们非常遥远。基于该数据，他们猜测在110亿光年远的地方，应该有一个极大的超级空洞，这个空洞应该通过ISW效应生成冷斑。这个理论中有一个难题，我们现在所接收到的光子穿越那个遥远的超级空洞的时间，应该是在很久之前，大约是80亿年前（并不是110亿年前，因为相比光子发出时，现在的宇宙已经膨胀到了那时的2倍大小）。在这么早的宇宙时期，暗能量的作用没有今天这么强，因此ISW效应可能不足以产生冷斑。
鲁德尼克的研究尽管还不是超级空洞存在的确凿证据，却引起了我的注意。我和本·格拉内（Ben Granett）和马克· 内因克（Mark Neyinck）一起开展了一项统计分析研究，他们那时分别是夏威夷大学的博士研究生和博士后研究员。我们估算了CMB中一些小瑕疵（相对较冷或较热的区域，但没有冷斑那么极端）与较小的星系团或者空洞重叠的概率有多大。结果我们发现重叠的现象其实非常普遍。尽管没有任何一个已知的结构能够解释冷斑，这一结果却使我们确信，搜寻与冷斑重叠的超级空洞并不是鲁莽无谋的行为，值得继续进行下去。
随后，我们设计了一项利用加拿大-法国-夏威夷望远镜（Canada-France-Hawaii telescope，CFHT）进行观测的计划，瞄准冷斑区域内的数个小天区，对其中的星系进行计数。令我们失望的是，当2010年初完成观测后，我们却没有在鲁德尼克预言的距离处发现任何超级空洞的迹象。事实上，我们排除了在超过30亿光年的距离外有超级空洞的可能。英国布里斯托大学的马尔科姆·布雷默（Malcolm Bremer）和合作者们开展了一项类似的研究，也没有任何发现。
与此同时，鲁德尼克的原始论文经同行重新审核评估，发现其结果的统计显著性其实比原来想的低很多。因此，有那么一段时间似乎我们不得不放弃用ISW效应解释冷斑。
然而，黑暗中还有一线希望。我们的数据给了我们一点暗示，超级空洞很可能就潜伏在离我们很近的地方。看似矛盾的是，根据我们利用CFHT获取的数据来寻找附近的空洞却要更难：我们所观测的天区离我们越远，其覆盖的物理面积就越大，星系计数结果也就越准确。离我们近了，观测天区的体积变小了，结果的统计显著性也就低了。所以，即使我们观测到邻近星系数量偏低，存在超级空洞的概率也只有75％，按照科学研究的标准，这个概率是非常低的，仅相当于一线希望。要确定是否存在空洞，我们必须对非常大的天区进行拍照，事实上观测要覆盖整个冷斑区域，当时我们却没有任何望远镜能覆盖这么大的天区。格拉内博士毕业了，目前在意大利的布拉雷天文台，内因克则去了约翰斯·霍普金斯大学。
第二条线索
幸运的是，在那之后的几年内我拿到了新的数据。在我送别格拉内和内因克的时候，我所在的夏威夷大学天文所建成了一台新望远镜：PS1，它是Pan-STARRS （全天巡天望远镜及快速反应系统）的首台望远镜。这正是我所需要的。这台望远镜坐落在毛伊岛海拔3000米的哈莱阿卡拉火山上，装备了世界上最大的相机，像素高达14亿。
建于毛伊岛上的全天巡天望远镜及快速反应系统（Pan-STARRS）
2010年5月，在加入了由数所大学组成的合作团队后，我和同事开始用PS1测绘占全天面积3/4的天区。我依然记得我试图说服当时Pan-STARRS的首席科学家尼克·凯撒（Nick Kaiser），我建议设备一启用就应该立刻去观测冷斑区域，而不是去干别的事。虽然我没有成功，但是冷斑正好在该望远镜前几年巡天观测计划的覆盖范围之内，我所需要的观测数据会一点一点地积累起来。
在我们热切地等待新数据时，我和研究生安德拉斯·科瓦奇（András Kovács）开始利用一些可公开获取的数据研究ISW效应，并尽可能地搜索超级空洞。我们利用了PLANCK和WMAP卫星的CMB观测数据，以及最新发布的、主要来自NASA的宽视场红外巡天探测器（WISE）的星系数据集。
科瓦奇到夏威夷拜访过我多次，每次都待好几个月，夏天时我则会访问布达佩斯，科瓦奇当时就读于那里的罗兰大学（Eötvös Loránd University）。其他时间，我们每周都会进行远程会议，而且因为檀香山和布达佩斯有12小时的时差，我们经常讨论到欧洲时间的深夜。在早期的某次讨论时，我建议他到WISE星系表中找一找最大的低密度区域，或者说空洞。几天以后，他发给我一封电子邮件，给出了在该星系表中找到的最大空洞的图像和坐标。看邮件的时候，我马上意识到他找到的空洞中有一个正好与冷斑重合。我当时还没有告诉科瓦奇我感兴趣的是空洞与冷斑的关联，所以这个发现让我喜出望外：在科瓦奇不知道要寻找这种关联的情况下，他的发现不可能被有意搜寻关联证据的念头带偏。WISE所发现的星系比NVSS近很多，这成为指示我们应该搜寻邻近的超级空洞的第二条线索。
循着这条思路，我们花费了数年时间来将这些最初的线索转变为发现。我们采用的星系数据库综合了WISE、Pan-STARRS和两微米波段全天巡天 （Two Micron All Sky Survey， 2MASS） 的观测结果，但是我们依然需要确定这些星系的距离。一种测量距离的办法是观测该天体的红移，即光的波长向光谱红端偏移的程度。星系越远，它远离我们的退行速度就越快，那么红移就会越大。尽管我们手头缺乏这些星系的精确红移测量数据，但还是可以通过分析它们的颜色来估算近似的红移。我们推断出星系未受红移影响时在各个波段的亮度，再与实际观测进行对比，从而得出它们的红移。
最终，我们为冷斑方向上的每个星系标出了距离，并依此生成了一系列断层切片，即到地球不同距离处的宇宙平面图像。最初的一组图像看起来像苹果的垂直切片，展示了一个大致为球形，越往中心越宽广的超级空洞。结果表明，这个巨大的空洞就藏在离我们非常近的地方，大概30亿光年，这正是它那么难以被发现的原因。
在后续的几个月内，我们审视了数据的统计分析，发现超级空洞的证据具有压倒性的显著水平，换句话说，我们非常可信地证实了与冷斑重合的低密度区域的存在。这个超级空洞事实上非常巨大，大概直径有18亿光年，这可能是人类目前所观测到的最大结构。它可能是极其罕见的，宇宙学理论指出，在我们的可观测宇宙中应当只存在极少这样的结构。
理解空洞
我们终于发现了超级空洞。从以前的研究中我们知道空洞和星系团会对CMB带来可观测的影响，产生小的冷斑和热斑。我们所发现的超级空洞也确实与CMB最显眼的反常现象重合。那么，难题解决了吧？
并非如此。超级空洞存在，甚至它与冷斑区域重合的事实，都还不足以断言是其中一个现象导致了另一个现象。它们有可能只是偶然排列在一起。当然，我们的分析表明，保守估计的话，超级空洞导致冷斑的可能性要比这种巧合高2万倍。
然而有更大的问题。超级空洞的位置的确适于解释冷斑，但是尺寸却不是太符合。要解释冷斑比CMB平均温度低得多的现象，超级空洞的大小需要比现在所看到的大很多，有可能要大2~4倍才行。这个差距过大，以致有些科学家认为超级空洞与冷斑可能只是偶然重叠在一起。他们建议我们应该去找其他的解释，比如说星系发射到宇宙空间中的光比预期的要少，这是一种在某种程度上能模仿ISW效应的现象。还有，虽然我们的观测清楚地证明了超级空洞的存在，我们对它的大小、形状和位置的了解却还不够，还无法精确计算它所能产生的效果。特别是，如果超级空洞的形状是向着我们拉长的话，或者如果有好几个空洞沿着冷斑的方向一个接一个堆叠起来的话（像雪人一样），那么这个空洞就可以轻松地解释冷斑的来源了。因此，我们不知道，超级空洞的大小会给我们的理论带来多大的困难。
我们需要更多的数据。我们已经计划针对PS1观测过的全部天区重复我们的研究，而不是像以前那样只选用一部分区域。新的研究会利用科学家为减少不确定因素而额外精心处理过的观测数据。有了这样的数据，我们就可以定量比较测量与理论之间的差异，以便决定是否需要修改我们关于ISW效应和空洞的思路。这种差异，很可能会告诉我们一些有意思的事情。例如，有一类与广义相对论不同的非传统引力理论只有在空洞里才会表现出独有的特征，如果这类理论中某一个正确的话，ISW效应的机制可能也会有所不同。如果我们的超级空洞确实为这些理论提供了一点线索的话，那么我们可能正面对一个令人激动的机会，可以超越现有理论，更深入地理解宇宙。
无论怎样，超级空洞的发现将会告诉我们一些物理学的重要信息。它可能是暗能量的存在证据，也可能揭示了有关引力作用机制的惊人事实。在接下来的几年中，我们会对超级空洞有更深的认识，因此也将对我们生活的宇宙的本质有更深刻的了解。
本文作者 伊什特万·绍普迪是夏威夷大学天文所的天文学家，研究方向为宇宙学和宇宙大尺度结构。
本文译者 盘军是中国科学院国家天文台研究员，主要研究方向为宇宙学和宇宙大尺度结构。
发表于 2017-4-19 22:38
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