大爆炸余暉揭示神秘“超巨洞”:直徑超10億光年
宇宙微波背景輻射(CMB)，這是宇宙大爆炸時留下的余暉
正在太空工作的美國宇航局“威爾金森各向異性探測器”(WMAP)
大約在10多年前，天文學家們在測量宇宙溫度的時候注意到一個有些奇怪的現象，那就是在天空中有一片寬度大約與20個滿月相當的區(qū)域，這里的溫度異常的低。
天文學家們所測量的是彌漫整個宇宙的微波輻射，那是宇宙大爆炸時留下的余暉。對這種宇宙微波背景輻射(CMB)的觀測讓科學家們能夠窺見宇宙誕生早期，年齡僅約40萬年時的情景。
宇宙微波背景輻射在整個夜空幾乎均勻地分布，各個方向都是一樣的，溫度都是大約2.725K，僅比絕對零度高出一點點。然而借助美國宇航局先進的“威爾金森各向異性探測器”(WMAP)，天文學家們可以識別出這一溫度背景上10萬分之一的變化。這種細微的溫度差異是宇宙誕生時量子泡沫漲落留下的產物，這種隨機漲落能夠幫助天文學家們理解宇宙的組成以及它的形成機制。
示意圖：加速膨脹的宇宙
宇宙微波背景輻射在整個夜空幾乎均勻地分布，各個方向都是一樣的，溫度都是大約2.725K，僅比絕對零度高出一點點
在所有這些溫度背景的起伏中，就存在著一個寒冷的點。多年來，天文學家們提出了各種理論試圖對此給出合理解釋，從儀器誤差到平行宇宙，不一而足。而現在，天文學家們將注意力集中到了其中的一種理論上：宇宙中存在一種巨大的空洞，被稱作“宇宙超巨洞”，它們很可能是宇宙中最大的結構。
在這些空洞中幾乎不存在任何的恒星或星系。根據理論，這樣巨大的空洞會在宇宙微波背景輻射中留下低溫區(qū)域。因此對于宇宙中的神秘低溫區(qū)，其背后的答案或許僅僅就是巨大的空洞結構而已。然而，相關的故事還遠遠沒有完結。
CMB中的異常低溫區(qū)
在宇宙微波背景輻射(CMB)中，低溫點還并非唯一讓人感到奇怪的地方?？茖W家們還發(fā)現了其他一些異常之處。比如說，半個天空的CMB信號似乎要比另外半個天空的信號更強一些。標準的宇宙學理論無法完全解釋這些異常。但在所有這些異常中，異常低溫區(qū)域的存在是最引人矚目的。
對此，最簡單的解釋是認為這根本就不是什么異常情況，而只不過是CMB背景中隨機出現的溫度分布而已。當你丟100次硬幣，你總會有20次，30次或是50次機會是頭像一面朝上的。因此，科學家們首先面對的一項挑戰(zhàn)便是，他們必須判斷，這一現象究竟只是隨機因素的結果，還是的確有著背后的原因。對于異常低溫區(qū)而言，數據表明其可能只是隨機事件的概率大約是1/200，——看來并非不可能，但這種可能性也非常小。
一些科學家提出這種異常情況可能是由于觀測儀器的誤差或是數據分析的不當方式導致的假像。但在2013年，來自歐洲普朗克衛(wèi)星的探測數據確認了此前美國的觀測結果，CMB中的確存在異常的低溫區(qū)域，現在它需要得到解釋。
目前占據主流地位的解釋方案是所謂“宇宙超巨洞”(cosmic supervoid)理論。宇宙中所有的星系，恒星以及不可見的暗物質，全部都以一種類似蛛網的結構分布在空間之中，形成巨大的平面，扭結和條帶。在這些結構之間便是被稱作“巨洞”(voids)的巨大空曠區(qū)域。這些巨洞有著不同的形狀和大小。而其中那些最為巨大的巨洞便會造成在CMB溫度背景上出現異常低溫區(qū)的假象。
這一現象背后的原理是：當光線穿過一個巨大的巨洞時會損失能量，隨著光波能量的耗散，其頻率就會降低，光譜特征將向紅端發(fā)生位移。和所有其他事物一樣，光線會受到引力場的影響，引力會對光子產生作用。然而在巨洞內部，由于這里物質的密度極低，也就意味著幾乎沒有引力對光子產生影響。這樣一來，對于一個光子來說，穿過一個巨洞就像是翻越一座高山，而爬山是需要消耗能量的。
不過，光子可以將自己失去的能量再拿回來。一旦它們離開了巨洞，光線就將再次被物質包圍，它將再次感受到引力的作用，并補充它在此前丟失的能量。
宇宙的加速膨脹會讓光子丟失能量。在光子艱難穿越巨洞的時候，整個宇宙正在加速膨脹。而當光子通過巨洞之后，由于宇宙在此期間的加速膨脹，此時的物質密度已經比它穿越巨洞之前更低了，這也就意味著光子所能感受到的引力作用的強度將不如此前，如此，光子也就無法完全恢復它在穿越巨洞期間所損失的能量。
物理學家們早在上世紀60年代就已經從理論上預言了這種現象的存在，但從未有人實際觀測到這一現象。然而，在CMB異常低溫區(qū)被發(fā)現之后，一些天文學家，如美國夏威夷大學的伊斯特凡·薩普迪(Istvan Szapudi)等人開始著手搜尋這種現象真實存在的證據，即所謂“積分薩克斯-沃爾夫效應”(ISW effect)。2008年，他們真的找到了。
計算顯示的超巨洞的理論位置
奇異的超巨洞
薩普迪無法分辨出單個的巨洞在CMB中留下的信號，因為他沒有讓他能夠這樣做的數據。相反，他和他的團隊從大約100個巨洞以及星系群的數據中利用統(tǒng)計學方法搜尋整體層面上的ISW效應。與巨洞所產生的效果相反，星系群強大的引力會在CMB信號中形成“熱點”。研究組在工作中找到了真正的ISW效應，其在CMB中產生了大約十萬分之一開爾文，或10微開爾文(microkelvin)的溫度變動。
相比CMB中異常低溫區(qū)溫度低于CMB平均溫度約70微開爾文的情況，由ISW效應產生的影響顯然要小得多。但這項研究工作的主要目的是證明巨洞的確可以產生異常低溫區(qū)。如果巨洞足夠大，它是完全有可能產生這樣程度的低溫異常的。薩普迪表示：“如果低溫區(qū)是CMB數據中最明顯的異常，那么這很有可能就是存在一個超巨洞的信號，這種結構在宇宙中是非常罕見的。因此我認為我們現在就應該著手對其展開搜尋?！?/p>
他在2010年開展的首次搜尋嘗試最終以失敗告終。這其中的原因之一可能就是因為數據非常有限，僅僅覆蓋了異常低溫區(qū)的少數幾個點。不過，有意思的是，這項研究結果同時也暗示，可能存在著一個規(guī)模驚人的超巨洞。
去年，他和他的團隊再次進行嘗試，這一次他們獲得了比前一次多得多的數據，涵蓋比前次多出200倍以上的天區(qū)面積，并覆蓋了整個表現出低溫異常的區(qū)域。有了這樣涵蓋數千星系的全面覆蓋，初步研究結果顯示其符合一個真正巨洞存在時的理論預期。數據結果是清晰無誤的。薩普迪表示：“我們完全確定這就是一個巨洞。我甚至可以賭上我家的房子?！?/p>
如果這真的是一個巨洞，那么這將是一個真正的龐然大物——它的半徑約2.2億秒差距，折合約7億光年，這樣驚人的尺度也使其成為宇宙中目前已知最大的物理結構。
如此巨大的巨洞并不常見，很有可能只有很少的幾個。而這樣一個巨大的空洞卻正好與同樣罕見的CMB低溫異常區(qū)相重合，很難認為這僅僅是一個巧合。而根據薩普迪的觀點，更有可能的情況是，正是這一巨洞結構導致了這一低溫異常區(qū)的產生。事實上，根據他的計算，這兩者之間存在真實相互關系的可能性，相比僅僅是視線方向上的驚人巧合要高出大約2萬倍。
但他的一些同行們對此仍然還存有疑慮，如西班牙坎塔布里亞大學的天文學家佩特西羅·維爾瓦(Patricio Vielva)。維爾瓦曾經在2004年領導一個研究組最先發(fā)現了CMB信號中的異常低溫區(qū)。在他看來，巨洞的罕見性仍然尚無定論。而如果最終能夠證明在宇宙中這樣的巨洞是廣泛存在的，那么一個超巨洞的位置恰好與CMB中低溫異常區(qū)的位置相重疊是由于視線方向重合所導致結果的可能性就會大大升高，或許這種重合僅僅就是一個簡單的巧合而已。正是出于這一原因，研究人員目前急切地需要得到更多的數據來判斷宇宙中這樣的超巨洞究竟有多么罕見。維爾瓦表示：“在目前的階段，我認為做這件事是最為重要的?！?/p>
有沒有可能我們的宇宙中充滿著“紋形”或缺陷
當穿越巨洞時，光線會損失能量
宇宙微波背景輻射(CMB)的產生過程示意圖
“還不夠冷”！
然而前面還有一個更大的問題，那就是超巨洞似乎無法在CMB中導致這樣大的溫度異常。這樣大的超巨洞大約只能在CMB中形成低于平均溫度20微開爾文左右的低溫異常區(qū)域，而現實是，觀測到的CMB中低溫異常幅度達到了70微開爾文左右，在部分區(qū)域，這樣的異常甚至高達140微開爾文。
對此，一種可能的解釋是，這個超巨洞的規(guī)?？赡鼙瓤茖W家們此前測定的更加巨大。如果這一情況屬實，那么其產生的ISW效應將會更加強大。而考慮到薩普迪測定數據的不確定性，這個超巨洞的半徑最大可能達到2.7億秒差距。但即便如此，根據維爾瓦的計算，這樣的一個超巨洞結構將仍然不足以產生科學家們在CMB信號中所觀察到的那種幅度的低溫異常。
事實上，根據目前的宇宙學理論模型，我們的宇宙根本就不可能形成足以產生如此幅度低溫異常的超巨洞結構。維爾瓦表示：“問題就在于，你想要用來解釋這一現象的那種超巨洞，它根本就不存在?！?/p>
可是，如果這種低溫異常不是由于巨洞造成的，那還會是什么？維爾瓦認為，或許這與所謂“宇宙紋形”(cosmic texture)有關，低溫異常區(qū)可能是宇宙中的一種拓撲缺陷(topological defect)。這就有點像水冰內部的裂隙或結構缺陷：當水結冰時，液態(tài)的水轉變?yōu)楣虘B(tài)的冰。而隨著早期宇宙的演化，這些宇宙中的結構區(qū)域也經歷了類似的相變過程。在水冰凝固的過程中，當水分子未能完美排列時就會出現內部的結構缺陷。而在宇宙中，則可能出現紋形，這也是一種缺陷。在2007年，維爾瓦幫助證明了，如果紋形的確存在，那么它就可以經由ISW效應而產生符合觀測幅度的低溫異常區(qū)。
但“紋形”的概念仍然還只是一種理論猜測，沒有任何實際觀測證據可以證明其的確存在。瑞恩·馮-魏格特(Rien van de Weijgaert)是荷蘭格丁根大學的一名天文學家，他表示：“紋形是一個非常漂亮的想法，但我們缺乏證據來證明它是否真實存在?！?/p>
馮-魏格特指出，對于大多數天文學家而言，一個超巨洞的想法仍然是目前的最佳解釋。他說：“到目前為止，這一想法仍然被視作是最令人信服的理論之一。只是在它能夠產生的低溫異常幅度方面可能還存在一些疑慮，但并沒有到完全脫離實際的地步?！?/p>
對此，維爾瓦也承認，超巨洞的想法非常吸引人，但在此之前，其無法在足夠大的幅度上產生低溫異常的問題必須得到解決。
現在，科學家們需要更多的數據。舉例來說，如果能有更多的數據，天文學家們就將能夠獲得有關超巨洞大小和性質的更精確測量。他們也將有望判定在前景方向上是否還存在稍小一些的巨洞，因為如果情況果真如此，它也將幫助增加CMB中異常低溫區(qū)的降溫幅度。再或者，也許情況是這樣的：CMB中之所以會出現低溫幅度如此之大的異常區(qū)域，是因為其原本就存在一些溫度稍稍低于周圍的區(qū)域，然后在這樣一個區(qū)域上又疊加了一個超巨洞產生的低溫效果。
不過，盡管有這樣那樣的理論觀點分歧，物理學家們還不至于晚上睡不著覺。正如英國杜倫大學天體物理學家卡洛斯·弗蘭克(Carlos Frenk)所言：“到目前為止，由于不確定性太大，你還不必要到晚上失眠的地步?！钡退麄€人而言，他表示自己的直覺是，隨著越來越多數據的獲得以及進一步分析工作的進行，超巨洞模型的理論最終將會被確認是正確的。他說：“很有可能這個理論最終會被證明是正確的?！?/p>
如果情況果真如此，那么這種CMB中的低溫異常區(qū)將會成為對超巨洞這種天體的首次觀測測量工作，這種宇宙結構經由ISW效應在CMB信號中留下了自己的痕跡。這項工作非常重要，光是想到超巨洞驚人的規(guī)模便已經令人驚訝不已。但這種龐然大物的重要性還不限于此，正如薩普迪所言：“我們將擁有研究暗能量的嶄新途徑，要知道暗能量是宇宙中最詭異的存在?！?/p>
之所以會產生ISW效應，完全是因為我們的宇宙正在加速膨脹，而推動宇宙這樣加速膨脹的原動力則正是這種神秘的暗能量。通過對超巨洞引發(fā)ISW效應的研究，科學家們將能夠探查暗能量在其中施加的影響，從而加深我們對其行為模式以及本質的理解。
但就目前的情況而言，關于CMB中異常低溫區(qū)的謎題仍然存在著。正如弗蘭克所言：“我們只是不知道這故事的結局，沒有任何人知道?！?晨風)
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