探索宇宙巨洞

原文标题：Into the Void

作者：Marcus Woo  原文来自：Sky and Telescope  Posted：2015年2月刊

编译：京晶   审校：数星星的猫

哈勃极深场窥视宇宙中的一个狭窄区域。那里的绝大部分星系都生活在宇宙8亿年老的时候。即便这个图像中有1万个左右的星系，空无一物的区域仍然历历可见。（图片来源：NASA / ESA / STEVE BECKWHITH / HUDF TEAM）

宇宙空间非常稀薄。不过，Paul Sutter喜欢空无一物的区域。他是如此地喜爱它们，以至于他把所有时间都花在探索宇宙中最荒凉的区域——宇宙巨洞上了。

在宇宙里，几乎所有的物质——星系及被称为暗物质的神秘、不可见物质——在空间中的分布形如巨大的蛛网。天文学家把其中细长的纤维状结构及薄壁状结构统称为宇宙网。这些结构之间巨大的空白区域则形如海绵上的孔洞，被称为宇宙巨洞。

宇宙大尺度结构演化的计算机数值模拟分辨率一直在不断地增加着。上图为取自最近的Bolshoi宇宙学数值模拟的一个展幅约10亿光年的切片。（图片来源：STEFAN COTTLOBER / LEIBNIZ-INSTITUTE FUR ASTROPHYSIK POTSDAM ）

宇宙网各处的物质密度不尽相同。致密的区域好似喧嚣的都市，在纤维结构的交叉点上聚集着数千个星系；稀疏的区域则像平静的郊区，我们的本星系群便是其中一例。但是，与地球的人口分布情况类似，宇宙中的物质分布也很稀疏——宇宙巨洞占了宇宙总体积的近三分之二。不过宇宙巨洞里也并不是一个星系都没有，只不过它们的物质密度仅为宇宙平均物质密度的十分之一。Sutter在研究这些宇宙“乡村”时感觉逍遥自在。

“我自己就是一个农村人，”Sutter说，他自小生活在美国俄亥俄州兰开斯特郊外一个距离哥伦布市东南方向30英里远的小镇。“当观察宇宙网时，大多数人只注意到明亮的部分。但我却被宇宙巨洞——那些巨大的空白区域吸引住了。”

这是Bolshoi宇宙学数值模拟中一个展幅为3亿光年的切片的放大图，展示了宇宙的网络状纤维结构。尽管如此，占据这块区域的大部分体积的却是宇宙巨洞。 （图片来源：STEFAN COTTLOBER / LEIBNIZ-INSTITUTE FUR ASTROPHYSIK POTSDAM ）

Sutter目前在意大利的里雅斯特天文台和美国俄亥俄州立大学工作，是过去几年里越来越多地转向宇宙巨洞研究的天文学家中的一个。

虽然科学家早在30多年前就发现了宇宙巨洞，但长期以来，它们一直是天文学家较少涉猎的研究领域。最近，有针对性的巡天观测及其所依赖的技术发展不仅展现了复杂的宇宙网结构，还揭示出大量宇宙巨洞的存在。与此同时，能力强大的计算机可以更加精细地模拟大尺度结构（例如星系团和纤维结构）的形成过程。再加上对宇宙越来越深入的理解，所有这些进展正在使宇宙巨洞研究开始繁荣、活跃起来。

像Sutter这样的天文学家认为，宇宙巨洞并非全无意义的空白区域，而是有可能帮助我们解开暗能量、暗物质和星系演化之谜的强大工具。尽管宇宙巨洞里几乎什么都没有，但却值得研究。

研究的开端

第一个宇宙巨洞是在1978年被发现的。当时，美国博林格林州立大学的Stephen Gregory与美国內布拉斯加大学的Laird Thompson注意到，在我们所在的室女超星系团和远在3亿光年之外的后发超星系团之间存在一片空白区域。但有些天文学家却怀疑，这可能只是错觉？

1981年，当时在美国密歇根大学工作的Robert Kirshner与同事发现了牧夫巨洞——一个近3亿光年宽的空白区域，从而打消了科学家的疑虑。荷兰格罗宁根大学的Rien van de Weygaert说，正是这一发现让天文学家相信宇宙巨洞真的存在。

探测技术的发展让天文学家能够扫视全天，看到更遥远的星系，绘制小范围的宇宙物质三维分布图。1986年，一个研究团队（其成员大都是美国哈佛-史密松天体物理中心（简称CfA）的天文学家）发表了第一张宇宙物质分布图。CfA的红移巡天展示出物质在宇宙中的分布呈网络状，一千多个星系构成巨壁状结构，而巨壁之间则是面积广大的空白区域。

CfA红移巡天绘制了1100个 星系的分布图，揭示出宇宙巨洞的存在。例如，在后发星系团周围的空白区域里，数百个星系形成了著名的“火柴人”图案。这个楔形图延伸到7亿光年远的地方， 地球则位于图的顶端。在图中，宇宙学距离用红移和光速来表示，单位为公里每秒。（图片来源：SMITHSONIAN ASTROPHYSICAL OBS. / V. DE LAPPARENT / M. GELLER / J. HUCHRA）

“虽然我们很早就已知道巨洞的存在，但看到这幅图像还是不免让人震惊，”美国德雷塞耳大学的Michael Vogeley回忆说。他当时是哈佛大学的本科生。

理论学家也在不断取得进展，模拟宇宙原初物质密度起伏是如何最后演化成网状结构的。更具体一点说，要回答的问题是，物质小团块是如何演化成巨壁和纤维状结构的？上世纪80年代，全球都笼罩在“冷战”的紧张气氛中，天文学界也由此分成两大阵营。

西方国家的天文学家支持一种名为“自下而上”的结构形成理论。他们认为，首批形成的星系很小，之后再逐渐聚集在一起形成更大的星系、星系团和超星系团。该理论预测，星系的分布应该呈团块状，而不是带洞的网状结构——所以，CfA的红移巡天结果一出来便激起了一片惊异之声。

苏联的天文学家则属于另一个阵营。他们支持的是“自上而下”的结构形成理论。该理论认为，最先形成的是类似超星系团大小的结构。之后，这些大尺度结构发生碎裂，形成星系。但是，虽然这个理论正确预测了宇宙网的存在，却也同样认为（除了别的之外）星系十分年轻，是在晚近时期才形成的。这一点与实际观测结果不符。

苏联解体后，两个阵营的天文学家开始共享彼此的理论，并取长补短。“最后，协同合作带来了一个全新的理论，一个全新的观点。”van de Weygaert如此说道。到了上世纪90年代，“自下而上”理论胜出，但也做了不少改进（包括加入冷暗物质），能够重现观测到的宇宙网结构了。

这些进展与计算机数值模拟技术的发展步调一致。早在上世纪70年代，天文学家便尝试用计算机模拟宇宙结构的形成过程，但他们只能跟踪最多1000个粒子的运动情况。到了80年代，使用几十万个粒子的模拟计算已经能够生成纤维状结构、星系团和巨洞了。现如今的计算机数值模拟已经使用上百亿个粒子进行运算了。它们不仅能够模拟暗物质的行为，还能模拟星系内部的演化情况。van de Weygaert说：“由于计算机运算能力的飞速提高，我们对宇宙结构形成过程的了解也已经今非昔比了。”

这里空无一物

最早的星系巡天观测仅仅找出来一小部分容易被肉眼识别的巨洞。不过，巨洞的数目正在持续增长着。

“随时间流逝，一些大型巡天观测和更仔细的分析工作揭示出巨洞实际上遍布宇宙各处。”Vogeley说。“它们无所不在，或许算得上是最重要的大尺度结构了。”

宇宙物质分布图：在这个斯隆数字化巡天观测数据切片中，每一个点代表一个星系。红色的点则表示拥有年老恒星的星系。这个巡天大大拓展了天文学家关于宇宙网的看法——宇宙巨洞遍布其间。（图片来源：MICHAEL BLANTON / SDSS）

随着巡天观测越来越多，天文学家需要对巨洞进行系统地定义和识别。van de Weygaert告诉我们，有相当长一段时间，设计出搜寻巨洞的算法成了这个研究领域的主要挑战之一。如何定义一个巨洞的边界？什么样的结构才能被叫做巨洞，仅仅是物质密度较低的区域就行了吗？

以Vogeley和他的同事曾经使用过的一个算法为例。他们通过计算星系到其最近的邻居之间的距离来寻找物质分布稀疏的区域。2004年，Vogeley与现在美国威德恩大学工作的Fiona Hoyle用这个算法在2度视场星系红移巡天（一共观测了24万5千多个星系）观测中找到了289个巨洞。接下来，在2012年，Vogeley、Hoyle和其他科学家又对斯隆数字化巡天（提供了目前最大的宇宙物质三维分布图）观测中的70万个星系进行筛选，结果找到了1054个巨洞。

尽管如此，在过去几年里，一种名为“分水岭”的算法越来越受欢迎，van de  Weygaert说。这个方法原本是一个图像处理技术。它把宇宙网转变成为地形图。致密的星系团好比山峰，小一些的星系群成了丘陵，物质稀少的区域则成了低地。如果往这样的地形中注水，水便会聚积在盆地——即巨洞里，而周围的山峰则描绘出盆地的边缘。把这一技术应用在斯隆的观测数据上，Sutter与同事创建了一个公共目录，其中收录了迄今为止找到的共2千多个巨洞。

“分水岭”巨洞：在上图中，紫色 区域标示出斯隆数字化巡天截至目前找到的2000个巨洞，红点则为斯隆观测的星系。其凹凸不平的表面是巨洞边界定义算法造成的。如果把许多巨洞样本结合在 一起，我们就能得到一个统计平均——可以用来检验宇宙学模型的“标准球体”。（图片来源：SUTTER ET AL 2012）

如果巨洞能够帮助我们理解宇宙，我们就一定要搜集更多的巨洞。Sutter解释说道：“若有几千个样本，我们就能进行统计研究，比较分析，做一些非常严肃的科学工作。”

一个巨洞可能外形奇特，或是其内有一些稀奇古怪的星系，他补充说道，但平均来讲，巨洞却表现出令人吃惊的、有规律的特征。例如，法国索邦大学的Nico Hamaus最近领导了一个包括Sutter在内的研究小组，分析计算机模拟出来的巨洞的性质。他们发现巨洞的物质密度与它的个头存在着一个简单又普适的关系。

荒芜之地的星系：以上是从巨洞星系巡天中选取的6个例子，展示了年轻星系的模样。相对来讲，在荒芜区域生活的星系比较暗弱，颜色也偏蓝，却有着较高的恒星形成率。（图片来源：SDSS, SOURCE: KRECKEL ET AL. 2011）

作为宇宙结构的组成部分，巨洞本身就值得研究，但真正令人兴奋的是它们身上更引人入胜的一些东西。天文学家逐渐意识到，巨洞可以帮助我们解开暗能量之谜。（暗能量是一种促使宇宙加速膨胀的未知力量。）

宇宙原始实验室

在巨洞内部，星系和暗物质的引力影响微乎其微，暗能量才是那里的主宰者。因此，巨洞便成了探索这个古怪的反引力作用力的天然实验室。

巨洞的成长：在如图所示的一系列数值模拟图像中，物质从巨洞中心流出，并沿着其边界聚集在一起。这个模拟区域有2亿光年宽，5千万光年深。（图片来源：ERWIN PLATEN）

巨洞要比物质致密的区域膨胀得快。即便没有暗能量，也是如此。由于围绕在巨洞周围的物质多于巨洞内的物质，内部物质便在外部物质的引力拉扯下朝着巨洞的边界运动，并把巨洞内边界向外推。巨洞的某些部分可能膨胀得比其它部分快，从而使其外形呈团状不对称。但是，如果把许多巨洞结合起来看，你就能得到一个统计学意义上的平均结果——“标准球体”。这个球体的膨胀行为是可以预测出来的。

暗能量操纵着这个方程式。2014年，通过对斯隆数据给出的1500个巨洞的外形进行评估，Sutter和同事测量了暗能量在宇宙能量中所占的比例。虽然他们的结果目前还缺乏足够的精度，不过，如果有更多的巨洞样本，他们预期将能获得与其它独立方法相比即便不是更好的，也是同样好的测量结果。

这还只是宇宙巨洞为了帮助天文学家解开宇宙奥谜而提供的众多方法中的一个。 暗物质和暗能量的精确份量不仅设定了宇宙演化的初始条件，还决定着巨洞及其它大尺度结构的演化。所以，尽管巨洞内部物质稀少，它却能帮助我们确定宇宙中到底存在多少暗物质，以及它们与其它物质是如何发生相互作用的。

与研究暗能量的情况一样，巨洞的“空无一物”对暗物质研究也非常有用，Sutter说。虽然大家常用星系团来研究暗物质，巨洞却是比较简单的结构体，不似物质密集的星系团那样有复杂的物理过程。因此，巨洞边缘处的暗物质所产生的影响很容易就能被分离出来。

“巨洞中的生活很简单。就好像你离开城市去农村一样。模拟农村生活要比模拟城市生活容易多了。”Sutter接着说道。

巨洞还能帮助我们敲定最先进的宇宙模型中的暗物质和暗能量的精确比重，或者检验其它宇宙学理论。一些天文学家怀疑，暗物质和暗能量实际上并不存在；他们通过修改引力定律也可以解释暗物质和暗能量产生的效果。它们中的一个理论预测出更大的巨洞。如果巨洞样本足够多，并且修改引力产生的效果足够大的话，由此产生的差异是能够被测量出来的。

在已经确立的一长列宇宙学研究方法中，巨洞研究也占有一席之地了。现在，天文学家通过测量标准烛光——Ia型超新星的亮度来确定宇宙的膨胀速度。他们还利用重子声波振荡（原初宇宙物质密度起伏在今天星系分布上的反映）做为标尺，测量距离。通过把邻近的和遥远的星系团进行比较，天文学家可以检验大尺度结构形成理论。当然，估测宇宙学参数最好的方法之一便是模拟宇宙微波背景辐射——大爆炸的辐射遗存——的温度起伏信号。

有些天文学家认为巨洞会超越所有这些宇宙学研究方法，van de Weygaert说。但他对此仍保持谨慎：“我希望这是真的，但我自己并不完全相信会如此。”

Sutter和Vogeley争辩说，关键在于我们要有更多的巨洞样本。

一百万个巨洞

只是在过去几年时间，随着观测数据的累积，巨洞才逐渐成为强有力的宇宙学研究工具。

“我们只接触到皮毛而已，”谈到最近的工作时，Vogeley这样说。“仅仅在不久以前，人们才开始获得观测数据。”

“我们正处在关键时期，”Sutter补充说，“现阶段，我们正在证明这个方法是可行的，而不是什么荒诞的想法。”

未来几年，斯隆巡天将继续为我们提供更大的星系分布图——也会找到更多巨洞。但是，在下一代望远镜和随之而来的巡天观测找到一百万个巨洞之前，巨洞研究还无法充分显现出它的威力。欧洲空间局的欧几里得卫星预计将在2020年飞入太空，探测宇宙年龄仅为30亿年时的星系。美国宇航局计划的大视场红外巡天望远镜同样能够绘制出类似的星系分布图。还有计划中的大型综合巡天望远镜和平方公里阵，也都将提供大量的星系数据。

巨洞研究发展迅速。Sutter的使命便是继续宣传这一概念。正如他所说，“巨洞棒极了，它是未来所系。”

邻近区域：这张简化图展示了在以 银河系为中心、5亿光年为半径的区域内众星系团和巨洞的分布情况。为了使这张平面图看上去更清楚，有些星系被移走了。图中采用的超星系坐标系统是以室女超 星系团的平面为基础建立的。（图片来源：S&T: GREGG DINDERMAN, SOURCE:RICHARD POWELL / WWW. ATLASOFTHEUNIVERSE.COM）