宇宙中最空旷之处或能解释宇宙中神秘的“冷点”

想要一瞥宇宙中最古老的光，只需将老式电视机调到频道之间：屏幕上跳动的小点是由天线不断轰击的光子造成的，这些光子是在大约138亿年前宇宙大爆炸后不久发射出来的。这些光子从四面八方均匀地穿过太空，平均温度为 2.7 开尔文（零下455华氏度），构成了被称为宇宙微波背景 (CMB) 的辐射云。由于这些光子非常古老，因此熟悉的 CMB 二维地图通常被称为宇宙的“婴儿照片”，为我们提供了了解创造我们今天所见宇宙的原始条件的窗口。

然而，我们的婴儿照片有一些瑕疵。像我这样的物理学家称之为异常现象，因为我们的标准宇宙学理论无法完全解释它们。这些异常现象中最大的一种，最早是在 NASA 的威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 于 2004 年绘制的 CMB 地图中发现的，是“冷点”，即天空中一块覆盖面积约为满月宽度 20 倍的区域，那里的古老光子异常寒冷。冷点就像我们婴儿照片上的美人痣：对某些人来说，它是一个丑陋的痣，破坏了 CMB 的庄严对称性；对另一些人来说，它增强了宇宙的特征，增添了刺激。我属于后一类：我一直对这种 CMB 异常现象以及可能解释它的原因感到着迷。

这个谜题激发了科学家之间的许多讨论。一种解释可能是它纯粹是偶然发生的，没有任何具体原因。但偶然性是原因的几率很低：约为 200 分之一。其他可能性从平凡到奇妙不等——从分析宇宙的仪器出现问题，到暗示寒冷区域是通往另一个宇宙或隐藏维度的门户。

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2007 年，通过从宇宙的一些已知特征进行推断，我和其他天体物理学家提出了这样的想法：如果宇宙在天空的同一区域包含一个超级空洞——一个相对缺乏物质和星系的广阔空间——那么就可能会形成这样一个冷点。这个空洞将是宇宙中最空旷的地方，是相对稠密环境中的一片罕见的巨大荒地。这个理论具有巨大的意义。如果这样一个空洞确实存在，并以我们想象的方式导致了冷点，那么出于复杂的原因，这个巨大的空旷区域也可能为暗能量提供证据，暗能量是被理论化的宇宙加速膨胀的罪魁祸首。今天，我和我在夏威夷大学的同事们已经证实了这个空洞的存在，我们正在发现令人兴奋的线索，表明它可能确实可以解释冷点。

穿越空洞

科学家们通过思考我们认为光与较小空洞相互作用的方式，得出了超级空洞可能存在并产生冷点的想法。假定的超级空洞将是极端的，但普通的中等大小的空洞（包含相对较少星系的区域）在宇宙中很常见。它们的对立面——星系团也很常见，星系团是由多达数千个星系组成的大型集合体。宇宙学家认为，空洞和星系团的种子出现在宇宙早期，当时随机的量子力学过程导致某些空间区域的物质密度略低，而另一些区域的物质密度略高。过度密集区域中更大的质量产生了更强的引力，随着时间的推移，将更多的物质吸引到它们那里，并将其从密度较低的位置拉开。前者最终成长为星系团，后者则变成了空洞。

由于空洞几乎没有物质，因此它们就像任何穿过它们的物体上的山丘[见下图]。当粒子移入空洞时，远离周围较高密度区域的较强引力，它的速度会减慢，就像球滚上山坡一样；一旦它开始移出空洞，朝向稠密区域，它就会加速，就像滚下山坡一样。CMB 光子的行为类似，尽管它们的速度不会改变（光速始终不变）。相反，它们会改变能量，而能量与它们的温度成正比。当光子进入空洞时，它会爬上山丘并失去能量——也就是说，它会冷却下来。在另一侧滚下山丘时，光子会重新获得能量。因此，如果宇宙不是以加速的速度膨胀，那么它到达另一侧时的温度将与开始时的温度相同。

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但在过去的二十年中，科学家们发现宇宙不仅在膨胀，而且这种膨胀似乎正在加速。大多数宇宙学家将加速归因于暗能量，这是一种假想的遍布太空的负压，似乎正在抵消引力的向内拉力。宇宙的加速为山丘场景增加了一个皱纹——从我们的 CMB 光子的角度来看，这意味着当它穿过空洞时，山丘周围的平原有效地升高了，因此远处的平坦地面变得高于近处的地面。结果，光子无法重新获得爬山时失去的所有能量。净效应是 CMB 光子在穿过空洞时会失去能量。因此，我们应该在低密度区域附近的微波背景中看到温度下降。这种现象称为综合萨克斯-沃尔夫 (ISW) 效应。该效应也适用于超星系团，但在这种情况下，光子在穿过具有额外质量的广阔区域时会获得净能量。

ISW 效应预计会非常小。即使对于大型空洞，它通常也会产生小于 CMB 平均波动的温度变化，由于光释放时新生宇宙的密度略有不同，CMB 平均波动约为万分之一。但我们意识到，对于一个真正巨大的空洞——超级空洞——差异可能足以产生冷点。如果我们能够证明超级空洞存在并且是异常现象背后的驱动力，那么我们不仅可以解释冷点。我们还将为暗能量提供确凿的证据，因为只有在暗能量作用于宇宙并加速其膨胀的情况下，才会发生 ISW 效应。

搜寻超级空洞

天文学家在 2007 年首次开始寻找与冷点重叠的超级空洞。探测如此大的结构比听起来更难。大多数天文勘测都会生成天空的二维图片，但不会告诉我们图片中的物体离我们有多远。我们看到的星系可能都聚集在一起，也可能沿着我们的视线彼此间隔很远。天文学家必须收集有关每个星系的更多信息，以尝试估计其距离——这是一项费力且通常成本高昂的任务。

2007 年，明尼苏达大学的劳伦斯·鲁德尼克和他的合作者正在查看 NRAO VLA 天空巡天 (NVSS) 星系射电波目录，发现与冷点大致对齐的空间区域的星系数量少于平均水平。尽管 NVSS 没有包含有关巡天中星系具体距离的任何数据，但天文学家知道大多数 NVSS 星系都离我们非常遥远。根据这些数据，他们假设可能存在一个极其巨大的超级空洞，可以通过 ISW 效应产生冷点，该空洞大约位于 110 亿光年之外。这个想法的一个困难之处在于，现在到达我们的光在很久以前——大约在过去 80 亿年中——就已经穿过了这样一个遥远的超级空洞。（不会是整整 110 亿年前，因为自光线发射以来，宇宙已经膨胀到原来的两倍大小。）在如此早期的宇宙时代，暗能量不会像今天这样强大，因此 ISW 效应可能太微弱而无法产生冷点。

尽管鲁德尼克的工作未能找到超级空洞的确凿证据，但仍然引起了我的注意。我和本·格拉内特以及马克·内林克（当时分别是夏威夷大学的博士生和博士后）进行了一项统计分析，以确定 CMB 中较小的特征（相对温暖或凉爽的区域，不如冷点那么极端）与宇宙中已知的较小星系团和空洞重叠的频率，我们发现这种重叠很常见。即使这些已知的结构都无法解释冷点，但结果使我们相信，寻找与冷点重叠的超级空洞并非徒劳，值得继续下去。

然后，我们设计了使用加拿大-法国-夏威夷望远镜 (CFHT) 进行的观测，该观测针对冷点区域的几个小区域，并计算了其中的星系数量。令我们失望的是，当我们在 2010 年初进行观测时，我们没有发现鲁德尼克预测的距离处存在超级空洞的迹象。事实上，我们可以排除存在距离超过约 30 亿光年的超级空洞的可能性。英国布里斯托尔大学的马尔科姆·布雷默和他的合作者进行的类似搜索也没有产生任何结果。

与此同时，同行重新评估了鲁德尼克最初论文的统计显着性，结果发现低于预期。因此，有一段时间，我们似乎需要放弃对冷点的 ISW 解释。

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然而，有一线希望。我们在数据中发现了一个暗示，即超级空洞可能潜伏在我们附近。矛盾的是，使用我们通过 CFHT 获得的数据类型更难找到附近的空洞：在我们观测的区域中，离我们越远，覆盖的物理区域就越大，因此星系计数可能越准确。在我们附近，我们区域内的体积很小，因此我们的统计显着性很低。因此，我们只有大约 75% 的可能性认为我们在近距离看到的低星系计数暗示着超级空洞——按照科学标准，这仅仅是一线希望。为了决定此事，我们需要对更大的区域进行成像，基本上覆盖整个冷点区域。当时，我们无法使用我们可用的望远镜获得足够的覆盖范围；格拉内特获得了博士学位，现在在意大利布雷拉天文台工作，内林克去了约翰·霍普金斯大学。

幸运的突破

对我来说幸运的是，几年之内我就能够获得新的数据。大约在我与格拉内特和内林克道别的时候，我的家——夏威夷大学天文研究所完成了建造一台新的望远镜：PS1，全景巡天望远镜和快速响应系统 (Pan-STARRS) 的初始观测站。这正是我所需要的。该望远镜配备了世界上最大的相机，拥有 14 亿像素，位于茂宜岛哈雷阿卡拉火山海拔 10,000 英尺处。

2010 年 5 月，我和其他几所大学的联盟开始使用 PS1 绘制四分之三的天空图。我记得当时试图说服 Pan-STARRS 的首席研究员尼克·凯泽，一旦仪器启动，我们应该首先绘制冷点区域的地图。虽然这没有发生，但该区域位于望远镜最初几年要勘测的区域内，我需要的测量结果会一点一点地到来。

在我们热切等待这些新数据的同时，我开始与当时的博士生安德拉斯·科瓦奇合作，使用普朗克和 WMAP 卫星公开提供的 CMB 观测数据，以及 NASA 的广域红外巡天探测器 (WISE) 卫星基于红外光观测的新发布的星系数据集，来研究 ISW 效应，并在可能的情况下搜索超级空洞。

科瓦奇曾多次来夏威夷拜访我，每次停留几个月，夏天我则去布达佩斯拜访他，他在那里在厄特沃什·洛兰大学学习。否则，我们每周都会举行电话会议，由于檀香山和布达佩斯之间存在 12 小时的时差，我们的对话通常会持续到欧洲时间的深夜。在早期的一次会议中，我请他查找 WISE 星系目录中最大的低密度区域或空洞。几天后，他给我发了一封电子邮件，其中包含目录中最大空洞的图像和坐标。阅读他的消息后，我立即意识到他发现的其中一个空洞与冷点所在的天空区域重合。我还没有告诉科瓦奇我对超级空洞和冷点之间联系的兴趣，因此这个发现让我感到双重兴奋：由于科瓦奇不知道要寻找冷点联系，因此这个发现不可能受到希望找到关系证据的偏见的影响。由于 WISE 发现的星系比 NVSS 数据集中的星系更近，这是第二个线索，表明我们或许应该在附近寻找超级空洞。

从那时起，我们工作了多年，将最初的线索转化为发现。我们使用了来自 WISE、Pan-STARRS 和 2 微米全天巡天 (2MASS) 的星系组合数据集，但我们需要为这些星系分配距离。测量距离的一种方法是观察物体的“红移”——其光线向电磁频谱红色侧移动的量。星系离我们越远，它远离我们的速度就越快，其红移就越大。尽管我们无法获得星系的精确红移测量值，但我们可以通过分析它们的颜色来估计它们的近似红移，将我们对星系在各种颜色波段中未发生红移的亮度的猜测与我们观察到的亮度进行比较。

最后，我们可以为冷点方向的每个星系分配一个距离，我们创建了一系列断层切片——对应于与地球不同距离的宇宙平面图片。第一组图像看起来像苹果的垂直切片，揭示了一个大致呈球形并向其中心增长的超级空洞。事实证明，这个巨大的空洞一直隐藏在我们附近，大约在 30 亿光年之外，这就是为什么它如此难以被发现。

在接下来的几个月中，我们查看了数据的统计数据，发现超级空洞的证据非常显着——换句话说，我们非常确信存在与冷点对齐的低密度区域。事实上，这个超级空洞非常巨大：跨度达 18 亿光年，使其可能成为人类迄今为止发现的最大的结构。它可能是一个非常罕见的物体——宇宙学理论表明，在我们的可观测宇宙中应该只有少数几个这样的物体。

理解冷点

我们终于找到了我们的超级空洞。我们从之前的研究中知道，空洞和星系团对 CMB 有可测量的影响，会产生小的冷热点。我们发现的超级空洞确实与 CMB 中最显着的异常现象对齐。谜题解决了吗，对吧？

不完全是。仅仅是超级空洞的存在，甚至它与冷点区域的对齐，都不足以明确地得出结论，认为其中一个导致了另一个。它们可能是偶然对齐的。然而，我们的分析保守地估计，超级空洞造成冷点的可能性比仅仅是巧合的可能性高 20,000 倍。

然而，我们面临着更大的问题。尽管超级空洞的位置正确，可以解释冷点，但它的大小却不太正确。为了解释为什么冷点比 CMB 平均温度低得多，超级空洞需要比它看起来更大，可能要大两到四倍。这种差异如此难以接受，以至于一些科学家认为，超级空洞与冷点区域重叠的事实仅仅是一个侥幸。他们建议我们寻找其他解释，例如星系释放到太空中的辐射少于我们预期的可能性——这种现象可以在一定程度上模仿 ISW 效应。此外，尽管我们的观测清楚地证明了超级空洞的存在，但我们不能足够确定其大小、形状和位置，从而对其应有的影响进行精确计算。特别是，如果超级空洞的形状向我们方向拉长，或者如果几个球形空洞在冷点方向彼此堆叠（像雪人一样），那么空洞可以更容易地解释其存在。因此，我们尚不清楚超级空洞的大小对我们的理论造成了多大的困难。

我们需要更多数据。我们已经在计划对 PS1 绘制的整个天空区域（而不是最初的部分区域）重复我们的研究，并使用科学家额外改进的观测结果来减少不确定性。使用此数据集，我们可以量化我们的测量结果与理论之间的差异，以确定这是否需要修改我们对 ISW 效应和空洞的看法。这种差异可能正在告诉我们一些有趣的事情。例如，一类不同于广义相对论的引力替代理论具有独特的特征，这种特征只会出现在空洞中，如果其中一个理论被证明是正确的，那么 ISW 机制也可能以不同的方式运作。如果我们的超级空洞已经暗示了这些理论，那么我们可能会有一个令人兴奋的机会，可以比我们目前所知的更深入地了解宇宙。

无论如何，超级空洞的发现都将告诉我们一些关于物理学的重大信息——也许它是暗能量存在的证据，或者它揭示了关于引力如何运作的更令人惊讶的真相。在未来的几年里，我们应该更多地了解超级空洞，从而更多地了解我们所居住的宇宙的本质。