太空最空旷之处或能解释宇宙中神秘的“冷斑”

要一睹宇宙中最古老的光，只需将旧电视调到频道之间：屏幕上闪烁的一些小点，是天线不断受到约138亿年前大爆炸后不久发出的光子轰击的结果。这些光子以平均2.7开尔文（−455华氏度）的温度，从所有方向均匀地穿过太空，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”，它为了解创造我们今天所见宇宙的原始条件提供了一个窗口。

然而，我们的婴儿照片有一些瑕疵。像我这样的物理学家称它们为异常现象，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是“冷斑”，它最早是在2004年美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的CMB地图中发现的，它是天空中一个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。冷斑不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，并增加了兴奋感。我属于后一类：我一直对这个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们的大量讨论。一种解释可能是它纯粹是偶然产生的，没有任何具体原因。但偶然性是原因的可能性很低：大约为两百分之一。其他可能性从平凡到奇幻不等——从分析宇宙的仪器出现问题，到冷区是通往另一个宇宙或隐藏维度的门户的说法。

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2007年，通过对宇宙中一些已知特征进行推断，我和其他天体物理学家突然想到，如果宇宙在天空的同一区域包含一个超空洞——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斑。这个空洞将是太空最空旷的地方，是在相对稠密的环境中罕见的巨大荒地。该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斑，那么这个巨大的空旷区域可能出于复杂的原因，也为暗能量提供了证据，暗能量是宇宙加速膨胀的理论罪魁祸首。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，并且我们正在发现诱人的线索，表明它确实可以解释冷斑。

穿越空洞

科学家们想到超空洞可能存在并产生冷斑，是通过思考我们认为光与较小空洞相互作用的方式。假定的超空洞将是极端的，但规则的中等大小的空洞——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，星系团是多达数千个星系的巨大集合。宇宙学家认为，空洞和星系团的种子起源于宇宙早期，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。密度过高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。前者最终演变成星系团，后者变成了空洞。

由于空洞几乎没有物质，因此它们对于任何穿过它们的物体都像山丘[见下方方框]。当粒子移入空洞时，远离周围较高密度区域的更强引力，它会像滚上山丘的球一样减速；一旦它开始移出空洞并朝向稠密区域，它就会像滚下山丘一样加速。CMB光子表现类似，尽管它们的速度不会改变（光速始终是恒定的）。相反，它们会改变能量，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，它到达另一侧时的温度将与其开始时的温度相同。

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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。大多数宇宙学家将这种加速归因于暗能量，暗能量是一种假想的负压，它似乎在抵消引力的向内拉力。宇宙的加速为山丘情景增加了一个皱褶——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，因此远侧的平地比近侧的平地更高。结果，光子无法重新获得它爬上山丘时失去的所有能量。最终的结果是，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-沃尔夫效应（ISW）。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效应预计会非常微小。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平均波动大约为万分之一。但是，我们意识到，在真正巨大的空洞——超空洞的情况下，这种差异可能足以产生冷斑。如果我们能够证明超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斑。我们还将为暗能量提供确凿的证据，因为ISW效应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。

寻找超空洞

天文学家在2007年首次开始寻找与冷斑重叠的超空洞。探测如此大的结构比听起来要困难。大多数天文调查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分散开来。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）的射电波星系目录，发现与冷斑大致对齐的空间区域的星系比平均水平少。虽然NVSS没有包含有关调查中星系具体距离的任何数据，但天文学家知道大多数NVSS星系离我们非常遥远。根据这些数据，他们假设可能存在一个巨大的超空洞，它可以通过ISW效应产生冷斑，大约在110亿光年之外。这个想法的一个困难之处在于，现在到达我们的光已经穿过这样一个遥远的超空洞很久以前了——大约在过去80亿年。 （不会是整整110亿年前，因为自光发出以来，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效应可能太小而无法产生冷斑。

鲁德尼克的工作虽然未能找到超空洞的确凿证据，但仍然引起了我的注意。我和当时夏威夷大学的博士生本·格拉内特和博士后马克·内林克一起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，它们不如冷斑那样极端——与宇宙中已知较小的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斑，结果也使我们相信，寻找与冷斑重叠的超空洞并非鲁莽之举，值得继续进行。

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，该观测针对冷斑区域的几个小区域，并计算了其中的星系数。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的超空洞迹象。事实上，我们可以排除在约30亿光年以外的距离存在超空洞的可能性。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结果。

与此同时，同行重新评估了鲁德尼克最初论文的统计学意义，结果证明其统计学意义低于预期。因此，有一段时间，我们似乎需要放弃对冷斑的ISW解释。

然而，一线希望是，我们在数据中发现了一个暗示，表明超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，更难找到附近的超空洞：在我们观测的区域中，离我们越远，覆盖的物理区域越大，因此星系计数可能越准确。在我们附近，我们区域中的体积很小，因此我们只有较低的统计学意义。因此，我们只有大约75%的几率认为我们近距离看到的低星系计数暗示了超空洞的存在——按照科学标准，这仅仅是一线希望。为了确定此事，我们需要对更大的区域进行成像，基本上覆盖整个冷斑区域。当时，我们无法使用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数据。大约在我与格拉内特和内林克告别的时候，我的家乡夏威夷大学天文研究所完成了建造一台新望远镜：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，位于毛伊岛哈莱亚卡拉火山海拔10,000英尺处。

2010年5月，在一个由其他几所大学组成的联盟中，我和我的同事开始使用PS1绘制四分之三的天空地图。我记得试图说服当时的Pan-STARRS首席研究员尼克·凯泽，一旦仪器启动，我们应该首先绘制冷斑区域的地图。虽然这没有发生，但该区域在望远镜最初几年要调查的区域内，我需要的测量结果会一点一点地出现。

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卫星公开发布的CMB观测数据，以及美国宇航局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，研究ISW效应，并在可能的情况下搜索超空洞。

科瓦奇几次来夏威夷拜访我，每次几个月，夏天我去布达佩斯拜访他，他在那里就读于厄特沃什·洛兰大学。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有12小时的时差，我们的谈话常常持续到欧洲时间的深夜。在早期的一次会议中，我请他在WISE星系目录中找到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，我立即意识到他发现的一个空洞与冷斑所在的天空区域重合。我还没有告诉科瓦奇我对超空洞和冷斑之间联系的兴趣，因此这个发现对我来说加倍令人兴奋：由于科瓦奇不知道要寻找冷斑联系，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，表明也许我们应该在附近寻找超空洞。

从那时起，我们花了数年时间将最初的线索转化为一项发现。我们使用了来自WISE、Pan-STARRS和两微米全天巡天（2MASS）的星系的组合数据集，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，红移也就越大。虽然我们没有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，将我们对星系在各个颜色波段中未红移亮度的猜测与我们观察到的亮度进行比较。

最后，我们可以为冷斑方向的每个星系分配一个距离，并且我们创建了一系列断层扫描切片——对应于距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空洞。事实证明，这个巨大的空洞一直隐藏在我们附近，大约30亿光年之外，这就是为什么它如此难以发现的原因。

在接下来的几个月中，我们查看了数据的统计数据，发现超空洞的证据具有压倒性的意义——换句话说，我们非常确信存在一个与冷斑对齐的低密度区域。而且，事实上，这个超空洞非常巨大：横跨18亿光年，使其可能成为人类有史以来识别出的最大结构。它可能是一个非常罕见的天体——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天体。

理解冷斑

我们终于找到了我们的超空洞。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，会产生小的冷斑和热斑。我们发现的超空洞确实与CMB中最显著的异常现象对齐。谜题解开了，对吗？

不完全是。仅仅超空洞的存在，甚至它与冷斑区域的对齐，都不足以明确地得出结论，即一个是另一个的原因。它们可能是偶然排列在一起的。然而，我们的分析保守地估计，超空洞造成冷斑的可能性比仅仅是巧合的可能性高20,000倍。

然而，我们面临着一个更大的问题。虽然超空洞的位置正确，可以解释冷斑，但它的大小却不太合适。为了解释为什么冷斑比CMB平均温度低得多，超空洞需要比它看起来更大，可能大两到四倍。这种差异如此难以接受，以至于一些科学家认为超空洞与冷斑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可能比我们预期的要少——这种现象在一定程度上可以模仿ISW效应。此外，尽管我们的观测清楚地证明了超空洞的存在，但我们无法足够确定其大小、形状和位置，从而对其应有的效应进行精确计算。特别是，如果超空洞的形状向我们方向延伸，或者如果几个球形空洞在冷斑方向彼此堆叠（像雪人一样），那么该空洞可能更容易解释冷斑的存在。因此，我们尚不清楚超空洞的大小对我们的理论构成多大的困难。

我们需要更多数据。我们已经在计划对已使用PS1绘制地图的整个天空区域重复我们的研究，而不是最初的部分区域，并使用科学家们额外改进的观测数据来减少不确定性。通过这个数据集，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，一类与广义相对论不同的引力替代理论具有独特的特征，该特征只会出现在空洞中，如果其中一种理论被证明是正确的，那么ISW机制也可能会以不同的方式运行。如果我们的超空洞为这些理论提供了一些暗示，那么我们可能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。在未来几年，我们应该更多地了解超空洞，从而更多地了解我们生活在其中的宇宙的本质。