探秘宇宙空洞

星系都市旁的空旷郊区

“太空”其实是对宇宙空间的一个很恰当的称呼，毕竟那里基本啥也没有。我们这里与月球相隔大约38万千米，在这之间，基本上什么也没有——最多是一些氢原子、氦原子以及其他的尘埃粒子等。在更大的范围里，这种“空无一物”变得难以置信的巨大。例如，银河系与仙女座星系相隔约250万光年，它们之间是一片荒凉之地，基本没有几颗恒星。

然而，在可观测宇宙范围内，银河系和仙女座星系其实是近邻。就像邻里之间可以隔着窗户看见彼此一样，我们也可用肉眼看见仙女座星系。宇宙中绝大多数的星系都喜欢聚集在一起。它们聚集成社区、城镇以及都市，对应的天文学术语分别叫做星系群（星系数量在50个左右或更少）、星系团（星系数量可达成百上千个）以及超星系团（由多个星系群和星系团构成）。宇宙中超星系团、星系团以及星系群一起，可以组成一种超大的纤维状的结构，这是目前已知的最大结构。我们的银河系坐落于本星系群中。本星系群直径大约有1000万光年，包含50多个星系。而本星系群又属于范围更大的室女座超星系团，也叫做本超星系团。

与这些星系都市相反，剩余的空旷郊区则被称为宇宙空洞。例如，在距离地球大约7亿光年的直径约2.5亿光年的牧夫座空洞那里，只有几十个小星系点缀在其中。如果它不是空洞而是星系团的一部分，那么那里至少得有1万个星系。

最近几十年，天文学家才明白，宇宙中最为普遍的地方是这些空洞，而不是那些星系都市。空洞大约占据了宇宙空间的60%以上。现在，空洞正成为天体物理学中的重要研究对象之一。因为它们几乎空无一物，成为了测试宇宙各种现象的独特的实验室。可以说，空洞里充满着答案。

纺织出宇宙网

20世纪70年代末，天文学家开始研究宇宙三维结构的时候，发现了空洞的身影。

天文学家依赖于检测星系的红移，来估计它们在宇宙中的位置：一个星系离我们越远，发出的光线会因宇宙膨胀拉伸得越长，光谱的谱线就会越靠近红色的一端。一些星系在太空中勾画出了一个巨大的空心口袋。于是，在1981年，天文学家发现了一个很大的空洞——牧夫座空洞。6年后，天文学家发现了本空洞——一个与本星系群相邻的空洞。

空洞的发现颠覆了一个普遍接受的观点——宇宙中的物质是均匀分布的。现在，我们了解到，宇宙类似于瑞士奶酪或肥皂泡沫，在巨大的空洞之间，聚集着数不尽的星系。

天文学家把这种结构称之为“宇宙网”，并认为这种结构是早期宇宙中原始物质涨落所演化出来的。宇宙早期，暗物质——这种神秘的、看不见的物质，被认为占了宇宙物质总量的85%左右——集结成群，用引力牵引着普通物质。随着宇宙的膨胀，这些物质分布较密集的区域最终变成了星系群、星系团，留下物质分布较稀疏的区域变得更空，最终变为了空洞。

空洞在排斥着物质

多年来，科学家研究的重点始终是宇宙网中的发光部分，没有人关心空洞。 

在过去的20年中，天文学家们发现，空洞不仅仅是空无一物的被动的地方。空洞会随时间变化，还能驱使星系聚集成纤维状结构。所以说，要想了解宇宙的演变，我们需要了解空洞。

2000年开始的斯隆数字巡天项目——一个使用美国新墨西哥州阿帕契点天文台的2.5米口径望远镜进行的红移巡天项目——大大帮助了我们对空洞的理解。斯隆以及其他新出的红移巡天项目，已经发现了成千上万个空洞。

总体来说，在当前的宇宙中，这些空洞通常是椭圆形，跨度在5000万到1.5亿光年之间。但在几十亿年前，空洞更小。这表明空洞正不断变大，有时应该还会发生合并。另外，模拟和观测显示，空洞也正变得越来越空。毕竟，低密度区域引力作用弱，而周围高密度区域引力作用强，于是，物质就不断地被吸引到高密度区域。所以从某种程度上来说，空洞具有排斥效应，赶跑物质，使得自己越来越空。

就拿我们所在的本星系群来说吧，银河系，连同我们的星系邻居，正以每秒600多千米的速度接近巨引源——一个相当于数万个银河系质量的引力中心，距离我们有1.5亿至2.5亿光年，位于本超星系团中心附近。而天文学家根据附近星系的运动，分析了本空洞的排斥效应。结果表明，使本星系群飞快移动的力量，大约有40%是本空洞的排斥效应贡献的。这表明，空洞对宇宙大尺度结构有着很重要的影响。

躲在空洞里的变色龙

空洞的重要性远不只这些。20世纪90年代，天文学家们注意到宇宙大约在50亿年前开始加速膨胀。现在，还没有什么好的理论可以解释宇宙为何要加速膨胀。

天文学家们提出了几种解释。一种解释是认为我们当前的引力理论是正确的，就是爱因斯坦的广义相对论所描述的那样，但是空间本身还有一种具有排斥作用的能量。这就是所谓的暗能量。

另一种解释是，广义相对论在大尺度下并不准确。广义相对论可以很好地应用在小范围内，例如太阳系中行星的运动，但是在宇宙更大的尺度下，引力可能是不同的。也就是说，我们需要修改引力理论。

与星系群等区域相比，空洞那里的引力比较弱，那里应该能感觉到更多的暗能量效应，或另一种不同形式的引力。所以，天文学家希望通过分析空洞的大小、位置、质量以及质量分布情况，找出一些线索。尤其是希望能搞清楚空洞排斥物质到底有多快，然后再分析哪个理论与观测最为贴切。

除此之外，一些科学家还提出了第三种解释，认为除了引力、电磁力、强核力和弱核力以外，宇宙中可能还有着一种新的未知的基本力，即第五种力，在发挥着加速宇宙的作用。其中最受欢迎的候选者，则是一种像变色龙一样的力。这种力会在物质密度较高的地方隐藏自己，在物质密度较低的地方显现出来，就像可隐藏自己的变色龙一样。很显然，空洞那里的物质很少，是寻找这种力的绝佳场地。

就理论而言，目前暗能量模型仍是最好的解释。也许在将来，随着我们对空洞的理解，后两者中的一个可能会胜出。

空洞中的隐士

尽管空洞中有着关于宇宙结构和基本力的答案，但研究空洞更有助于解决星系形成的问题。空洞中的星系（空洞星系）是罕见的，在很长一段时间里，天文学家对它们几乎一无所知。

传统观点认为，星系通常是通过合并而不断变大的：矮星系合并成中等星系，中等星系合并成大星系。例如，在30-40亿年之后，我们的银河系就会与仙女座星系合并成一个更大的星系。

然而，空洞中的星系基本上没有与其他星系合并的机会，它们是在几乎完全孤立的环境下向前演化的，可谓星系中的活化石。这一特殊之处，使得空洞星系成了间接了解宇宙最早一批星系的绝佳场所。

目前为止，最富有成效的努力是荷兰格罗宁根大学发起的调查研究，名为“空洞星系调查”。那里的天文学家利用斯隆数字巡天项目的数据，找到了60多个孤立的空洞星系。然后借助太空和地面上的天文望远镜进一步观察这些“隐士”星系，分析它们的形状、恒星的生成率以及其他属性。

基于这些星系，天文学家发现空洞中的星系与“都市”中的星系似乎没什么不同。当然，正如所料想到的，空洞星系比较小。然而，它们仍然充满活力。平均来说，在可见光波段，空洞星系看上去比“都市”中的星系更蓝，而能发出蓝光的恒星通常都是大质量恒星。大质量恒星的寿命都不太长，那么它们应该是最近形成的。这说明，许多空洞星系拥有充足的星际气体供应，可以产生新的恒星，甚至比“都市”中的星系更高产。

空洞星系与“都市”中的星系很相似，说明传统的模型，即小星系通过不断合并变为大星系，可能并不是星系演化的全部内容。也许，一些或大多数的星系可能只是随着时间的推移，不断地从周围环境中吸积星际气体而变大的。如果我们能在空洞中找到星际气体的话，那么就可以为这种观点提供一些证据。

根据当前天文学家的估计，宇宙将会继续加速膨胀下去。空洞会膨胀得更大，最终会占据宇宙几乎所有的空间。遥远的星系会跑到可观测宇宙的范围之外，随之带走的则是宇宙的演化故事。而我们所在的本星系团最终要么都合并在一起，要么四分五裂，被虚无所统治。如果在亿万年后，人类或其后裔仍存在的话，那么他们所能看见的宇宙空间将不仅仅是太空了，同时还是真正的空洞。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第9期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997