2014年8月11日
在牧夫座，有一块宽约2亿5千万光年的空间，堪称宇宙中最黑暗的地方。在这个被称为空洞（或巨洞，void）的区域内，宇宙几乎是空白的。如果以银河系为中心，这样大的一个范围内将挤满数千个星系；而在牧夫空洞（Bo?tes void）中只有60个。在空洞的中心，宇宙是黑暗而空旷的。
假设星系是城市，空洞的边界是效区，那空洞的中心就是最荒凉的旷野。地图上如果只有城市和公路，那地图就不完整，因此需要把它们之间的空间也填充进去。科学家正在逐步地进入这个最深、最黑暗的空洞旷野，来完成这幅地图。而这样做的目的，是为了研究我们宇宙中另一些更为强大的黑暗事物。
比如，占我们宇宙总质量80%的暗物质。它们既不发光，也不吸收光线。但是由于暗物质的原子引力，星系和星系团才有存在的可能。因此，恒星、气体和尘埃等所有构成宇宙的有形物，能够反映出底层暗物质的分布。星系密集之处，暗物质稠密。反过来也是如此：在没有或几乎没有星系的地方，暗物质也应该是稀少的。
Joseph Clampitt是美国宾夕法尼亚州大学的博士后研究员，他解释说：“这些空洞是非常浩瀚的，它是暗物质分布的低谷区，而星系则是陡峭的山峰。“如果将密度转化为高度，”那星系就是帝国大厦；而中等大小的空洞则是一个3英尺深的坑，它的占地面积相当于3个曼哈顿。”寻找空洞，为的是完成我们的暗物质地图。
只有通过三维测定，才能让我们了解这些区域到底有多大、多空。
空洞还可以为科学家讲述另一个关于黑暗的故事——暗能量。暗能量可能推动了宇宙的加速膨胀，而它也会同时让这些空洞的体积增大、数量增多。俄亥俄州立大学宇宙学与天文粒子物理中心的宇宙学家Peter Melchior说，测量空洞的大小和轮廓形状可以帮助我们定位这种神秘的力量。“它可以告诉我们这些强大的黑暗能量是如何起作用的，因为暗能量会随着时间的推移而逐渐使空洞的体积增大。”
正因为它们空无一物，因此它们才充满了希望。而剩下的唯一问题是，在这个充满了物质的浩瀚宇宙中，该如何找到它们呢？
宇宙之网：这幅宇宙结构的模拟图中，每一个亮点都对应一个星系团，而空白区域就是空洞。 – 沃克·斯普林格尔及室女座财团，马克斯·普朗克天体物理研究所（Volker Springel and the Virgo Consortium, Max Planck Institute for Astrophysics）
即使巨大如牧夫空洞，也只是到1981年才被Robert Kirshner及其同事们发现。虽然我们生活在三维宇宙中，但是我们看到的天空仍是二维的，这是因为宇宙的浩瀚阻碍了我们对深度的感知。空洞是极其巨大而空旷的，但是前景和背景中的大量星系会干扰我们的视线。只有使用精密的仪器进行三维测定，才能让我们了解这些区域到底有多大、多空。
自牧夫空洞被发现之后，天文学家又用类似的手法发现了一系列类似的宇宙空白区。其中一个非常靠近银河系，它被很有创意地命名为“本地空洞（Local Void）”。空洞是普遍存在的，而且大小、形状各异。但是仅仅知道它们存在还不够：科学家想要知道它们有多少，有多大，以及它们在时空中是如何分布的。
为了完成这个任务，科学家开始将注意力转向引力。根据爱因斯坦广义相对论，所有物质与能量形式产生的引力，都会对光线的传播路径产生影响。“引力对光线的影响类似于玻璃镜片或棱镜，”Clampitt说——虽然这非常难以观测。物质密度大的地方，光线受影响的程度强，会产生遥远天体的多个扭曲图像：这种现象被称为“强引力透镜”。而物质稀少处会产生“弱引力透镜”现象，背景星系会被轻微地放大，结果较为微妙，需要非常仔细的观测才能发现。
可以利用这些不同的透镜现象来寻找空洞。正如Clampitt所解释的那样，星系或星系团可以产生“线状或桶状”的引力透镜，而空洞形成的是“辐射状或枕形”图案。虽然单个空洞产生的引力透镜现象比较微弱，检测的可靠性也低，但Melchior和他的合作者们今年还是证明了由多个空洞共同产生的引力透镜是可以被检测到的。它们从SDSS（斯隆数字化巡天，Sloan Digital Sky Survey）的浩瀚数据中找出901个已知宇宙空洞并将它们“叠”在一起，平均地估计通过它们的光线，以提取它们的一般引力参数。从一些已经证实的空洞着手，小组将空洞的透镜信号与理论模型的预测作了比较，以探求它们是否真的和预计一样空旷。结果是肯定的，这些区域内星系非常少，暗物质也非常少。这个结果是预料中的，但同时也是对宇宙学理论的一次确认。
Clampitt在宾夕法尼亚大学进行了一项不限于已知空洞的互补性计划。在天体物理学家Bhuvnesh Jain的协助下，他直接在SDSS目录中搜索预期与空洞有关的弱引力透镜标志，而没有事先参考星系的分布情况。结果发现了大约20000个可能存在的空洞，以至于现在学者们要准备复查星系的分布数据是否准确。
加利福尼亚大学宇宙学家Asantha Cooray说，利用引力透镜来寻找空洞是一种新颖的手法。他解释道：“在此之前，弱引力透镜通常被用于测量物质的分布，如星系团和星系群。现在这样的测定不仅可以由透镜效果来估计空洞的大小……而且还证实了宇宙中的确存在着大量这样缺乏星系的空间。”此外，相关的论文还确认了星系形成理论中的一个主要方面，即在星系的形成过程中，暗物质会形成结节和长丝，并在两者间留出大量空白的空间。
牧夫空洞距地球大约7亿光年，离我们相对较近。而许多空洞非常遥远，散布在整个天空中。SDSS和它的继承者——基地设于新墨西哥州阿帕奇点天文台的BOSS（重子振荡光谱巡天，Baryon Oscillation Spectroscopic Survey），将选择北半球天空中的一部分，从银河系最厚的部分进行观测。而其它巡天计划，包括一些当前还在准备中的项目，将覆盖更大范围的天空，专注于寻找弱引力透镜和空洞透镜。
空洞，将成为未来天文学中的重要组成部分——不仅是天文学，它对于物质，以及宇宙本身也是如此。这是因为，在遥远的未来，暗能量将使宇宙变得更为空旷。宇宙之网将随风飘散，只在深深的黑暗和星系间留下零星的残余。数万亿年后，稀罕的将是物质，而不是空洞。
原载：nautil.us
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