分析宇宙虚空如何解释一切

C计算天体物理学家艾丽斯·皮萨尼戴上虚拟现实头盔，凝视着虚空——或者更确切地说，是一个虚空，宇宙中众多巨大的空旷空间之一。“这绝对令人惊叹，”皮萨尼回忆道。起初，在她面前的空中漂浮着一堆闪闪发光的点，每个点代表一个星系。当皮萨尼走进这堆乱点时，她发现自己身处一片巨大的虚空中，周围环绕着星系外壳。这个图像不仅仅是对宇宙空洞可能样子的猜测；它是皮萨尼自己数据的体现。“我完全感到惊讶，”她说。“这真是太酷了。”

这个可视化项目于 2022 年完成，是当时纽约市库珀联盟科学与艺术促进学院的计算机科学本科生邦妮·岳·王的一个特别项目。皮萨尼在那里教授宇宙学课程——宇宙的结构和演化。王的目标是利用皮萨尼关于空洞的数据（空洞的跨度从数十到数亿光年）创建这些令人惊讶的宇宙特征的增强现实视图。

如果放在十年前，当皮萨尼刚入行时，这个项目是不可能实现的。自 20 世纪 80 年代以来，科学家们就知道这些虚空区域的存在，但观测数据不足和计算能力不足使得它们无法成为严肃研究的焦点。不过，最近，该领域取得了巨大进展，皮萨尼一直在帮助将其引入科学主流。在短短几年内，她和越来越多的科学家确信，对宇宙空旷空间的研究可以为解决暗物质、暗能量和被称为中微子的神秘亚原子粒子的本质之谜提供重要线索。空洞甚至表明，爱因斯坦的广义相对论在非常大的尺度上与在局部尺度上可能以相同的方式运作——这是从未得到证实的。“现在是用空洞进行宇宙学的合适时机，”普林斯顿大学前天体物理学主席、西蒙斯基金会现任主席戴维·斯珀格尔说。巴黎拉格朗日研究所的本杰明·万德尔特也赞同这种观点：“空洞确实已经兴起。它们正变得有点热门。”

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20 世纪 70 年代末至 80 年代中期宇宙空洞的发现对天文学家来说有点震惊，他们惊讶地得知宇宙的样子与他们一直以来的想法不同。他们知道恒星聚集形成星系，而星系通常聚集在一起形成数十甚至数百个星系的星团。但他们认为，如果您放大足够远，这种结块现象就会变得均匀：在最大的尺度上，宇宙看起来将是均匀的。这不仅仅是一个假设。所谓的宇宙微波背景 (CMB)——在大爆炸后约 38 万年发出的电磁辐射——非常均匀，反映了物质在形成时的分布平滑性。即使那是在近 140 亿年前，现代宇宙也应该反映出这种结构。

但我们无法仅仅通过抬头观察来判断是否是这种情况。即使通过望远镜，夜空也呈现出二维的景象。为了证实均匀性的假设，天文学家不仅需要知道星系在天空中是如何分布的，还需要知道它们在空间的第三维度——深度上是如何分布的。因此，他们需要测量地球到附近和遥远的许多星系的距离，以弄清楚哪些在前台，哪些在后台，哪些在中间。1978 年，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的莱尔德·A·汤普森和新墨西哥大学的斯蒂芬·A·格雷戈里就是这样做的，他们发现了宇宙空洞的最初迹象，动摇了宇宙是平滑的假设。1981 年，哈佛大学的罗伯特·基尔什纳和他的四位同事在牧夫座方向发现了一个巨大的空洞，跨度约 4 亿光年。这个空洞非常大且空旷，以至于“如果银河系位于牧夫座空洞的中心，我们直到 20 世纪 60 年代才会知道宇宙中还有其他星系，”正如现在劳伦斯伯克利国家实验室的格雷戈里·斯科特·奥尔德林曾经说过的那样。

1986 年，当时都在哈佛大学的玛格丽特·J·盖勒、约翰·胡奇拉和瓦莱丽·德·拉帕伦特证实，汤普森、基尔什纳及其同事发现的空洞并非偶然。该团队费尽心思地调查了分布在广阔天空范围内的数百个星系的距离，发现空洞似乎无处不在。“这太令人兴奋了，”德·拉帕伦特说，她现在是巴黎天体物理研究所 (IAP) 的高级研究员。当时她是一名研究生，在盖勒手下工作了一年，盖勒试图了解宇宙的大尺度结构。天文学家早些时候拼凑出的局部宇宙横截面显示，丝状结构由星系过度密集或密度不足的区域组成。“玛格丽特给人的印象是这只是一种观察偏差，”德·拉帕伦特说，“但我们必须检查一下。我们想看得更远。”他们使用了亚利桑那州霍普金斯山的一架相对较小的望远镜。“我学会了在那架望远镜上进行观测，”德·拉帕伦特回忆道。“经过一夜的培训后，我就独自一人了，这真是太令人兴奋了。”完成后，她、盖勒和胡奇拉绘制了星系位置图。“这太神奇了，”她说。“我们有这些巨大的圆形空洞和这些充满星系的清晰墙壁。”

研究人员在他们的论文《宇宙切片》中写道，“所有这些特征都对当前的大尺度结构形成模型提出了严峻的挑战。”正如后来的更深入的调查所证实的那样，星系和星系团本身集中在一个巨大的网络中，该网络由物质集中的区域组成，这些区域通过流动的丝状结构连接，中间有巨大的空洞。换句话说，今天的宇宙大致类似于瑞士奶酪，而 CMB 更像奶油奶酪。

那么，问题是：是什么力量使宇宙从奶油奶酪演变成瑞士奶酪？一个因素几乎可以肯定是暗物质，这种看不见的物质的存在的证据在 20 世纪 80 年代才被大多数天体物理学家接受，尽管维拉·鲁宾和弗里茨·兹威基等观察家多年来提供了诱人的证据。它的质量大约是普通可见物质的六倍。这将使早期宇宙中略微过度密集区域的引力比任何人猜测的都强。恒星和星系将优先在这些高密度区域形成，而使低密度区域基本上空无一物。

对宇宙空旷空间的研究可以为解决暗物质、暗能量和中微子粒子的本质之谜提供重要线索。

大多数观察家和理论家继续探索后来被称为“宇宙网”的东西，但很少有人专注于空洞。这并非缺乏兴趣；问题是没什么可看的。空洞之所以重要，不是因为它们包含什么，而是因为它们的存在、形状、大小以及彼此之间的距离，都必然是赋予宇宙结构的相同力量的结果。为了利用空洞来了解这些力量是如何运作的，天体物理学家需要将许多例子纳入对空洞平均大小、形状和分离的统计分析中，但发现的空洞太少，无法从中得出有用的结论。这类似于 20 世纪 90 年代系外行星的情况：最初发现的几个系外行星证明行星确实围绕太阳以外的恒星运行，但直到开普勒太空望远镜在 2009 年发射后开始成千上万地收集它们时，行星科学家才能就银河系中存在多少种以及哪种类型的行星说出任何有意义的东西。

1995 年，俄亥俄州立大学的芭芭拉·赖登和堪萨斯大学的艾德里安·L·梅洛特提出了研究空洞的另一个问题。他们指出，星系巡天是在“红移空间”而不是实际空间中进行的。为了理解他们的意思，请考虑随着宇宙膨胀，光波会从其原始波长和颜色拉伸到更长、更红的波长。物体离观察者越远，其光线就越拉伸。詹姆斯·韦伯太空望远镜的设计部分是为了对红外光敏感，以便它可以观测到最早的星系，这些星系的光线已经完全拉伸出可见光谱——它比红色更红。而 CMB，我们能探测到的最遥远的光，已经被拉伸得如此之多，以至于我们现在以微波的形式感知到它。“测量到星系的物理距离是困难的，”赖登和梅洛特在《天体物理学杂志》的一篇论文中写道。“测量红移要容易得多。”但他们指出，红移可能会扭曲包围空洞的星系的实际距离，从而给出对其大小和形状的误导性概念。慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的尼科·哈马斯解释说，问题在于随着空洞的膨胀，“近侧正在向我们靠近，远侧正在远离。”这种差异会减去近侧的红移并将其添加到远侧，从而使空洞看起来人为地拉长。

尽管存在困难，但天体物理学家在 2000 年代后期开始感到更有能力解决空洞问题。诸如斯隆数字巡天项目等项目比盖勒、胡奇拉和德·拉帕伦特绘制的地图更深入地探测了宇宙，并证实了空洞无处不在。与此同时，两个天体物理学家团队的独立观测揭示了暗能量的存在，暗能量是一种负引力，它迫使宇宙加速膨胀，而不是因数万亿个星系的相互引力吸引而减速。空洞似乎为天文学家提供了一种很有希望的研究可能驱动暗能量的因素的方法。

这些进展引起了万德尔特的注意。他的专长一直是试图了解现代宇宙的大尺度结构是如何形成的。他说，他发现空洞的一个吸引人的方面是，“这些密度不足的区域在某些方面比分隔它们的星团和丝状结构更安静，更适合建模”。万德尔特说，星系和气体在非线性和复杂的相互作用中相互碰撞。那里存在“一种混乱”，抹去了有关它们形成的信息。更复杂的是，星系之间的引力在较小的尺度上足够强大，以至于它抵消了宇宙的普遍膨胀——甚至抵消了暗能量的额外推动力。例如，仙女座是离我们银河系最近的大星系，实际上正在向银河系靠近；大约在 40 亿年后，它们将合并。相比之下，万德尔特说，空洞“受暗能量支配”。“最大的空洞实际上比宇宙的其他部分膨胀得更快。”这使得它们成为了解这种仍然令人费解的力量的理想实验室。

并且不仅对暗能量的理解可以从这一研究方向中产生；空洞还可以（可以这么说）揭示暗物质的本质。虽然空洞中的暗物质比宇宙网的星团和丝状结构中的暗物质少得多，但仍然有一些。与混乱的宇宙网及其漩涡状的热气体和碰撞星系不同，空洞足够平静，以至于天体物理学家认为构成暗物质的粒子可能是可探测的。它们不会直接显示出来，因为它们既不吸收也不发射光。但粒子应该偶尔会碰撞，从而产生微小的伽马射线爆发。它们也可能最终衰变，在这个过程中也释放出伽马射线。理论上，太空中足够灵敏的伽马射线望远镜应该能够探测到它们的集体信号。意大利都灵大学的尼古拉奥·福尔内戈是提出这一原理的研究报告的合著者，他说“如果暗物质产生[伽马射线]，信号应该就在那里。”

空洞甚至可以帮助确定中微子的本质——基本粒子，曾经被认为是无质量的，它们遍布宇宙，同时几乎不与普通物质相互作用。（如果你将一束中微子穿过一光年或近六万亿英里厚的铅板，大约一半的中微子会毫不费力地穿过它。）物理学家已经证实，三种已知类型的中微子确实具有质量，但他们不确定为什么或这些质量究竟是多少。

加拿大滑铁卢大学的数据科学家、滑铁卢天体物理中心前博士后研究员埃琳娜·马萨拉说，空洞可以帮助他们找到答案。她解释说，空洞是既缺乏发光物质又缺乏暗物质的地方，“但它们充满了中微子，中微子几乎均匀分布在整个宇宙中”，包括在空洞中。这是因为中微子以接近光速的速度在宇宙中穿梭，这意味着它们不会在相互引力或充当宇宙网支架的暗物质浓度的引力下聚集在一起。虽然空洞总是包含大量中微子，但这些粒子只是路过——飞出去的中微子不断被更多涌入的中微子补充。它们的组合引力会使空洞的增长速度比原本慢。增长率——通过比较早期宇宙中空洞的平均大小与现代宇宙中空洞的平均大小来确定——可以揭示中微子实际具有多大的质量。

V空洞科学自皮萨尼开始与万德尔特一起攻读研究生时研究它以来，已经发生了很大变化。她回忆说，他为论文主题提供了两三个建议，其中之一就是宇宙空洞。“我感觉它们是最冒险的选择，”她说，“因为当时的数据非常少。但它们也极具挑战性，”她觉得这很令人兴奋。然而，皮萨尼和其他人需要分析空洞的数据——也就是说，根据结合了暗物质、暗能量、中微子和宇宙大尺度结构形成过程的计算机模型来测试它们的真实世界属性——根本无法获得。“当我开始攻读博士学位论文时，”皮萨尼说，“我们知道的空洞不到 300 个，大概是那个数量级。今天，我们拥有大约 6,000 个或更多。”

这已经很多了，但这仍然不足以进行将空洞用于严肃宇宙学所需的全面统计分析——但有一个例外。2020 年，哈马斯、皮萨尼、万德尔特和他们的几位同事发表了一项分析，表明广义相对论在非常大的尺度上至少以近似相同的方式运作，就像它在局部宇宙中似乎运作的那样。空洞可以用来检验这个问题，因为天体物理学家认为它们是暗物质在宇宙中聚集的方式的结果：暗物质吸引普通物质，创造了宇宙网，并留下了空旷的空间。但是，如果我们最好的引力理论广义相对论在非常远的距离上以某种方式崩溃了呢？很少有科学家预计会发生这种情况，但有人提出这是一种解释暗物质存在的方式。

然而，通过观察包围空洞的物质壁的厚度，哈马斯和他的同事确定爱因斯坦的理论是值得信赖的。为了理解原因，可以将空洞想象成“一个半径随着宇宙膨胀而增大的圆圈，”万德尔特说。随着圆圈的增大，它会推挤其周边的星系和星团的边界。随着时间的推移，这些结构会聚集，加厚定义空洞边缘的“墙”。暗能量和中微子也会影响厚度，但由于它们在空洞内外都均匀分布，因此总体影响要小得多。

科学家计划很快利用空洞来了解更多关于宇宙的信息，因为他们预计已知空洞的数量将在他们的目录中迅速增加。“在未来 5 或 10 年内，”皮萨尼说，“我们将拥有数十万个。这是那些数量真正产生影响的领域之一。”因此，斯珀格尔说，机器学习的进步也是如此，这将使分析空洞属性变得容易得多。

这些爆炸式增长的数字并非来自明确旨在寻找空洞的项目。它们将像斯隆数字巡天一样，作为更普遍的巡天的副产品而到来。例如，欧洲航天局的欧几里得任务于 2023 年 7 月发射，将以前所未有的广度和深度创建宇宙网的 3D 地图。美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将于 2028 年开始进行自己的巡天，观测红外光。而地面维拉·C·鲁宾天文台将于 2025 年启动一项为期 10 年的宇宙结构研究，以及其他项目。这些项目加在一起，应该可以将已知空洞的库存增加两个数量级。

“我记得我第一次在意大利的一次会议上就空洞宇宙学发表演讲，”皮萨尼说。“最后，观众没有提问。”当时她不确定原因是因为怀疑还是仅仅因为这个话题对她的听众来说太新了，以至于他们想不出任何问题要问。回过头来看，她认为两者兼而有之。“最初，我认为问题只是说服人们，这是一个值得研究的合理科学，”她说。

现在这已经不是什么大问题了。例如，皮萨尼指出，欧几里得空洞小组大约有 100 名科学家。“我不得不说，艾丽斯是这个领域无畏的先驱之一，”万德尔特谈到他以前的博士生时说。他回忆说，当他们开始撰写关于空洞科学的第一批论文时，一些天体物理学领域的领军人物“对你能否利用空洞做任何宇宙学上有意义的事情表示严重怀疑”。他说，他们错了的最大证据是，其中一些人现在也很热情。

皮萨尼可能是这个快速兴起的领域的理想代表。她以绝对的科学严谨性和富有感染力的热情来对待这个话题。每当她谈论空洞时，她都会眉飞色舞，语速很快，跳起来在白板上画图，轻松自信地回答问题（现在有很多问题）。她强调，空洞科学本身不会回答天体物理学家关于宇宙的所有重大问题。但在某种程度上，它可以做一些更有价值的事情：独立于科学家使用的其他策略来检验关于暗物质、暗能量、中微子和宇宙结构增长的想法。如果结果一致，那很好。如果不是，天体物理学家将不得不调和他们的分歧，以找出宇宙中实际发生的事情。

“我发现这个想法很有吸引力，甚至有点诗意，”万德尔特说，“研究这些空无一物的区域可能会产生关于宇宙一些未解之谜的信息。”