“超级空洞”理论不知能否解决关于宇宙膨胀速率的持久争论

huanxi666

如果我们的银河系位于一个直径为两十亿光年的空洞中，那么我们对宇宙膨胀速率的不同测量之间的巨大差异就可以得到解释。这是一些科学家的结论，他们认为一个修正过的引力理论可以取代标准的宇宙学模型。然而，这个假设受到了许多天文学家的强烈质疑。

标准的宇宙学模型描述了我们生活在一个由暗能量和暗物质主导的宇宙中。暗能量是一种神秘的力量，似乎导致了宇宙膨胀的加速，而暗物质则提供了宇宙中的大部分引力，并被认为以类似光环的形状包围着星系，防止它们分崩离析。这些难以捉摸的现象描述了物质在宇宙中的分布和星系之间的相对运动。
然而，标准的宇宙学模型面临着一个最大的挑战，那就是所谓的“哈勃张力”。这个概念并不是以你可能想象的太空望远镜命名的，而是以天文学家埃德温·哈勃命名的。1929年，埃德温·哈勃发现，一个星系越远，它看起来离我们越快。他能够推导出一个描述这种关系的公式，后来被称为哈勃-勒梅特定律（以比利时的理论物理学家和神父乔治·勒梅特命名，他也独立地发现了这个定律）。它说，一个星系离我们的速度是它的距离乘以宇宙的膨胀速率，而这个速率由一个叫做哈勃常数的参数给出。

自从埃德温·哈勃的时代以来，天文学家一直努力以更高的精度测量哈勃常数。通过知道哈勃常数，也就是准确地知道宇宙膨胀的速度，我们就可以计算出宇宙必须有多老才能达到它现在的大小。我们目前最好的测量结果将宇宙的年龄定为138亿年。
然而，这里有一个问题。
通过测量Ia型超新星的红移光来创建的宇宙膨胀的测量结果得到了一个哈勃常数的值为每兆秒73.2公里。换句话说，它说每一个兆秒（一个秒是3.26光年，一个兆秒是一百万秒，所以326万光年）的空间体积每秒钟膨胀73.2公里（45.5英里）。然而，宇宙的膨胀速率也融入了宇宙微波背景（CMB）辐射的物理学中。欧洲空间局的普朗克任务对CMB的测量给出了一个哈勃常数的值为每兆秒67.4公里。这两个测量都是高精度的，但它们不可能都是正确的。
这种奇怪的二分法，已经被称为哈勃张力，现在可以说是宇宙学中最令人困惑的问题。有些天文学家怀疑它是某个测量错误的产物，而另一些人则认为它可能暗示着新的物理学。

“宇宙……在我们附近的地方——也就是说，在大约三十亿光年的距离内——比在整个宇宙中膨胀得更快，”论文的作者之一，德国波恩大学的帕维尔·克鲁帕在一份新闻声明中说。“而这实际上不应该是这样的。”
他们的假设以一个天体物理学上的奇异现象为中心，这个现象被称为基南-巴格尔-考伊超级空洞，以研究它的三位天文学家命名。超级空洞是宇宙中物质的一个所谓的“低密度”区域，一个在统计上平均有较少星系的区域——而我们的银河系恰好位于它的中心，科学家们说。
在这个超级空洞的外面，星系平均密度更高一些，导致更多的引力可以将空洞内的物体拉向它们。这可能给人一种印象，即空间在我们附近膨胀得更快，团队建议，因为星系被超级空洞之外的物质的引力拖着走。
“这就是为什么它们离我们的速度比实际预期的要快，”苏格兰圣安德鲁斯大学的合著者因德拉尼尔·班尼克说。

标准的宇宙学模型说，物质应该在宇宙中均匀地分布，而任何空洞都不应该超过一定的大小。因此，它在解释像基南-巴格尔-考伊空洞这样大的空洞时有一些困难。一些天文学家，包括克鲁帕和班尼克，认为标准模型无法解释它，而另一些人，如牛津大学的马丁·萨伦、伊尼戈·祖贝尔迪亚和约瑟夫·席尔克，已经公开表示它可以。
在克鲁帕、班尼克和他们的合著者（波恩大学的谢尔吉·马祖伦科和捷克共和国查理大学的莫里茨·哈斯尔鲍尔）的假设中，我们目前的引力理论，也就是暗物质，被一种叫做修正牛顿动力学，或简称为MOND的新理论所取代。这个理论认为，在低加速度下，引力的行为与爱因斯坦和牛顿所描述的不同，而额外的引力可以取代暗物质的需要。在MOND的范式中，宇宙可以更容易地创造出像基南-巴格尔-考伊超级空洞这样的大空洞。
然而，空洞的存在会影响宇宙膨胀速率的测量这一想法在过去一直受到激烈的争议。约翰霍普金斯大学的诺贝尔奖得主亚当·里斯，他正在领导用Ia型超新星测量哈勃常数的努力，以及约翰霍普金斯大学的W. D’Arcy Kenworthy和美国杜克大学的Dan Scolnic，他们显示，超级空洞边界之外观测到的Ia型超新星的膨胀速率与空洞内的相同。

作为回应，克鲁帕、班尼克、马祖伦科和哈斯尔鲍尔认为，超级空洞的影响会在空洞本身之外很远的地方被感觉到，所以人们会期望在超级空洞边界之外的超新星中测量到更高的膨胀速率。其他测量哈勃常数的方法，它们独立于超级空洞和标准的宇宙学模型，也坚持认为哈勃张力不能被解释掉。通过追踪远方星系中环绕超大质量黑洞的分子云中的水激光器在天空上的角距离，从而推导出它们的物理距离，得到了一个哈勃常数的值为每兆秒73.9公里，这与Ia型超新星的测量结果接近，考虑到激光器测量的不确定性。

还有一个叫做H0LiCOW（H0指的是哈勃常数）的项目，它研究了早期宇宙中类星体的光如何通过前景引力透镜走不同长度的不同路径。类星体的亮度经常有波动；当通过引力透镜走不同的路径时，宇宙仍然在膨胀，而这种膨胀的速率被印在了类星体亮度变化的不同透镜图像上。这个项目发现膨胀速率为每兆秒73.3公里，几乎与Ia型超新星的值相同。
这些测量与CMB的测量相冲突，而且与超级空洞可以造成哈勃张力的假设无关。所以最终，如果这个假设要站得住脚，看起来克鲁帕、班尼克、马祖伦科和哈斯尔鲍尔还需要说服更多的人。