为了验证爱因斯坦的理论，天文学家绘制了有史以来最大的“空洞”地图

自2008年它被发现以来，天文学家就一直被这个宇宙谜题困扰着，这使他们开始质疑广义相对论——爱因斯坦的引力理论——在宇宙尺度的正确性。我们都知道广义相对论在太阳系、脉冲星和黑洞合并中完美的被实验和观测验证了，但是它在更大的宇宙尺度却没有被验证。这个谜题是当光在宇宙中传播的时候，它受到大尺度结构（比如星系团）的引力影响并不像爱因斯坦的理论所预言的。

为了验证爱因斯坦的理论，天文学家绘制了有史以来最大的空洞（空间中空的区域）和超星系团（空间中拥有更多星系和物质的区域）的地图。结果再次证明了爱因斯坦是对的，但是又重新引进了另一个谜团。

为了理解这个谜题的来源，我们要了解引力对微波背景辐射——宇宙大爆炸遗留下来的热辐射——产生的微妙效应。微波背景辐射的光子在宇宙大爆炸后的不到40万年时产生的，经历138亿年的传播，才被普朗克卫星探测，这才使我们可以绘制宇宙的温度地图。微波背景辐射对我们理解宇宙提供了大量的信息。在这些光子的旅途中，光粒子，或光子，会遇到在宇宙中的空洞和超星系团。

星系的分布，图中的每个点都代表一个单独的星系，颜色代表了星系离地球的距离。（? SDSS）

爱因斯坦的理论告诉我们光体验到引力的效应正如物质那样。当一个光子进入一个空的空洞时，它首先会失去能量，因为在它背后有更强的吸引力。当光在空洞中传播过中途的时候，它又会获得能量因为在光前方的物质对它的吸引。这个效应就类似于一个跑步者在他的路线图中遇到了山坡，他在上坡和下坡的时候体验到了速度的改变。

现在试想一下，如果他在山坡的过程中，山坡的大小在改变会发生什么？事实上，宇宙正在膨胀，使“山坡”被拉伸，当光子穿越空洞的时候“山坡”的高度在减小。对于跑步者来说，如果他上坡的时间要比下坡的时间久，即他上坡时速度变慢花的时间要比下坡是加速的时间更久。类似的，微波背景辐射的光子穿过空洞时会损失一些能量，因此看起来会比较冷。相反的，光子穿过超星系团时要比正常时的温度更高点。这个效应被称为“积分Sachs-Wolfe效应”。

在2008年，夏威夷大学的天文学家决定测量这个效应。他们首先确认了50个单独的空洞和超星系团，接着他们利用普朗克卫星的微波背景辐射地图来测量它们的平均温度。结果自然是天文学家预期看到的，在空洞中的辐射温度要比在超星系团的更低。但是，意想不到的是，这个效应的大小要比理论计算预言的大五倍。这不得不使我们重新思考现有理论是不是需要得到修正。

在空洞区域（左边）和超星系团区域（右边）的温起伏。蓝色是最冷的区域，红色是最热的区域。

为了解决这个问题，朴茨茅斯大学的两位天文学家（文献【1】，结果发表在了《天体物理杂志通讯》）采取了不同的角度来解决这个问题，他们并没有尝试构建新的理论来解释夏威夷大学的测量，而是直接利用更新的数据来验证这个效应是否还存在。他们利用了史隆数位巡天（SDSS）探测到的大于75万个的星系，来绘制了宇宙中空洞和超星系团的最大地图。他们的样本比2008年采用的超星系团样本要多出300倍。加上现在测量使用的统计技术已经大大进步，从而提高了对超星系团造成的微波背景辐射的温度改变的测量精度。

结果验证了爱因斯坦的理论是正确的。更新更强大的数据不再支持夏威夷大学的研究结果。这个结论可以在未来的一些更大型计划中被检验，比如“暗能量巡天”。但就目前而言，谜题已不再是谜题。

当然，故事并没有这么简单的结束了，他们的研究又重新打开了另一个谜题。这个谜题即是普朗克的微波背景辐射地图中的“冷点”来源。这个冷点在2004年首次被发现，我们还不知道它的物理来源，因为在天空中出现一块这么大以以及温度这么低的区域的概率似乎很小。

微波背景辐射的温度涨落。不寻常的冷点在右下用圆圈标出来。

科学家怀疑冷点可能是宇宙中的超空洞的引力引起的冷却效应。在2015年，天文学家的确找到了宇宙中最大的超空洞的存在证据。因此科学家相信空洞或许就是造成冷点的形成的罪魁祸首。

但不幸的是，如果爱因斯坦的引力理论是正确的，超空洞仍然太小，不足以解释冷点的形成。而如果理论本身需要修正，正如夏威夷大学的结果所建议的，那么这两个谜题就会有同一个解决方法。

但最新的结果似乎更相信爱因斯坦的引力理论。因此超空洞无法解释冷点。

所以，虽然一个谜题解决了，但冷点的问题又重新浮现出来。在追求科学的真理中，这是一个很自然的发展过程。从长远来看，我们总能找到最终的答案。对于天文学家来说这是一个令人振奋的时期。

文献：

【1】https://arxiv.org/pdf/1608.08638v2.pdf

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