探秘宇宙空洞

星系都市旁的空曠郊區(qū)?

“太空”其實(shí)是對(duì)宇宙空間的一個(gè)很恰當(dāng)?shù)姆Q呼，畢竟那里基本啥也沒(méi)有。我們這里與月球相隔大約38萬(wàn)千米，在這之間，基本上什么也沒(méi)有——最多是一些氫原子、氦原子以及其他的塵埃粒子等。在更大的范圍里，這種“空無(wú)一物”變得難以置信的巨大。例如，銀河系與仙女座星系相隔約250萬(wàn)光年，它們之間是一片荒涼之地，基本沒(méi)有幾顆恒星。

然而，在可觀測(cè)宇宙范圍內(nèi)，銀河系和仙女座星系其實(shí)是近鄰。就像鄰里之間可以隔著窗戶看見彼此一樣，我們也可用肉眼看見仙女座星系。宇宙中絕大多數(shù)的星系都喜歡聚集在一起。它們聚集成社區(qū)、城鎮(zhèn)以及都市，對(duì)應(yīng)的天文學(xué)術(shù)語(yǔ)分別叫做星系群（星系數(shù)量在50個(gè)左右或更少）、星系團(tuán)（星系數(shù)量可達(dá)成百上千個(gè)）以及超星系團(tuán)（由多個(gè)星系群和星系團(tuán)構(gòu)成）。宇宙中超星系團(tuán)、星系團(tuán)以及星系群一起，可以組成一種超大的纖維狀的結(jié)構(gòu)，這是目前已知的最大結(jié)構(gòu)。我們的銀河系坐落于本星系群中。本星系群直徑大約有1000萬(wàn)光年，包含50多個(gè)星系。而本星系群又屬于范圍更大的室女座超星系團(tuán)，也叫做本超星系團(tuán)。

與這些星系都市相反，剩余的空曠郊區(qū)則被稱為宇宙空洞。例如，在距離地球大約7億光年的直徑約2.5億光年的牧夫座空洞那里，只有幾十個(gè)小星系點(diǎn)綴在其中。如果它不是空洞而是星系團(tuán)的一部分，那么那里至少得有1萬(wàn)個(gè)星系。

最近幾十年，天文學(xué)家才明白，宇宙中最為普遍的地方是這些空洞，而不是那些星系都市。空洞大約占據(jù)了宇宙空間的60%以上。現(xiàn)在，空洞正成為天體物理學(xué)中的重要研究對(duì)象之一。因?yàn)樗鼈儙缀蹩諢o(wú)一物，成為了測(cè)試宇宙各種現(xiàn)象的獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室。可以說(shuō)，空洞里充滿著答案。

紡織出宇宙網(wǎng)?

20世紀(jì)70年代末，天文學(xué)家開始研究宇宙三維結(jié)構(gòu)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了空洞的身影。

天文學(xué)家依賴于檢測(cè)星系的紅移，來(lái)估計(jì)它們?cè)谟钪嬷械奈恢茫阂粋€(gè)星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，發(fā)出的光線會(huì)因宇宙膨脹拉伸得越長(zhǎng)，光譜的譜線就會(huì)越靠近紅色的一端。一些星系在太空中勾畫出了一個(gè)巨大的空心口袋。于是，在1981年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的空洞——牧夫座空洞。6年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了本空洞——一個(gè)與本星系群相鄰的空洞。

空洞的發(fā)現(xiàn)顛覆了一個(gè)普遍接受的觀點(diǎn)——宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的。現(xiàn)在，我們了解到，宇宙類似于瑞士奶酪或肥皂泡沫，在巨大的空洞之間，聚集著數(shù)不盡的星系。

天文學(xué)家把這種結(jié)構(gòu)稱之為“宇宙網(wǎng)”，并認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)是早期宇宙中原始物質(zhì)漲落所演化出來(lái)的。宇宙早期，暗物質(zhì)——這種神秘的、看不見的物質(zhì)，被認(rèn)為占了宇宙物質(zhì)總量的85%左右——集結(jié)成群，用引力牽引著普通物質(zhì)。隨著宇宙的膨脹，這些物質(zhì)分布較密集的區(qū)域最終變成了星系群、星系團(tuán)，留下物質(zhì)分布較稀疏的區(qū)域變得更空，最終變?yōu)榱丝斩础?h3>空洞在排斥著物質(zhì)?

多年來(lái)，科學(xué)家研究的重點(diǎn)始終是宇宙網(wǎng)中的發(fā)光部分，沒(méi)有人關(guān)心空洞。

在過(guò)去的20年中，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，空洞不僅僅是空無(wú)一物的被動(dòng)的地方。空洞會(huì)隨時(shí)間變化，還能驅(qū)使星系聚集成纖維狀結(jié)構(gòu)。所以說(shuō)，要想了解宇宙的演變，我們需要了解空洞。

2000年開始的斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目——一個(gè)使用美國(guó)新墨西哥州阿帕契點(diǎn)天文臺(tái)的2.5米口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的紅移巡天項(xiàng)目——大大幫助了我們對(duì)空洞的理解。斯隆以及其他新出的紅移巡天項(xiàng)目，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)個(gè)空洞。

總體來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前的宇宙中，這些空洞通常是橢圓形，跨度在5000萬(wàn)到1.5億光年之間。但在幾十億年前，空洞更小。這表明空洞正不斷變大，有時(shí)應(yīng)該還會(huì)發(fā)生合并。另外，模擬和觀測(cè)顯示，空洞也正變得越來(lái)越空。畢竟，低密度區(qū)域引力作用弱，而周圍高密度區(qū)域引力作用強(qiáng)，于是，物質(zhì)就不斷地被吸引到高密度區(qū)域。所以從某種程度上來(lái)說(shuō)，空洞具有排斥效應(yīng)，趕跑物質(zhì)，使得自己越來(lái)越空。

就拿我們所在的本星系群來(lái)說(shuō)吧，銀河系，連同我們的星系鄰居，正以每秒600多千米的速度接近巨引源——一個(gè)相當(dāng)于數(shù)萬(wàn)個(gè)銀河系質(zhì)量的引力中心，距離我們有1.5億至2.5億光年，位于本超星系團(tuán)中心附近。而天文學(xué)家根據(jù)附近星系的運(yùn)動(dòng)，分析了本空洞的排斥效應(yīng)。結(jié)果表明，使本星系群飛快移動(dòng)的力量，大約有40%是本空洞的排斥效應(yīng)貢獻(xiàn)的。這表明，空洞對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)有著很重要的影響。

躲在空洞里的變色龍?

空洞的重要性遠(yuǎn)不只這些。20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家們注意到宇宙大約在50億年前開始加速膨脹。現(xiàn)在，還沒(méi)有什么好的理論可以解釋宇宙為何要加速膨脹。

天文學(xué)家們提出了幾種解釋。一種解釋是認(rèn)為我們當(dāng)前的引力理論是正確的，就是愛因斯坦的廣義相對(duì)論所描述的那樣，但是空間本身還有一種具有排斥作用的能量。這就是所謂的暗能量。

另一種解釋是，廣義相對(duì)論在大尺度下并不準(zhǔn)確。廣義相對(duì)論可以很好地應(yīng)用在小范圍內(nèi)，例如太陽(yáng)系中行星的運(yùn)動(dòng)，但是在宇宙更大的尺度下，引力可能是不同的。也就是說(shuō)，我們需要修改引力理論。

與星系群等區(qū)域相比，空洞那里的引力比較弱，那里應(yīng)該能感覺(jué)到更多的暗能量效應(yīng)，或另一種不同形式的引力。所以，天文學(xué)家希望通過(guò)分析空洞的大小、位置、質(zhì)量以及質(zhì)量分布情況，找出一些線索。尤其是希望能搞清楚空洞排斥物質(zhì)到底有多快，然后再分析哪個(gè)理論與觀測(cè)最為貼切。

除此之外，一些科學(xué)家還提出了第三種解釋，認(rèn)為除了引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力以外，宇宙中可能還有著一種新的未知的基本力，即第五種力，在發(fā)揮著加速宇宙的作用。其中最受歡迎的候選者，則是一種像變色龍一樣的力。這種力會(huì)在物質(zhì)密度較高的地方隱藏自己，在物質(zhì)密度較低的地方顯現(xiàn)出來(lái)，就像可隱藏自己的變色龍一樣。很顯然，空洞那里的物質(zhì)很少，是尋找這種力的絕佳場(chǎng)地。

就理論而言，目前暗能量模型仍是最好的解釋。也許在將來(lái)，隨著我們對(duì)空洞的理解，后兩者中的一個(gè)可能會(huì)勝出。

空洞中的隱士?

盡管空洞中有著關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)和基本力的答案，但研究空洞更有助于解決星系形成的問(wèn)題。空洞中的星系（空洞星系）是罕見的，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，天文學(xué)家對(duì)它們幾乎一無(wú)所知。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，星系通常是通過(guò)合并而不斷變大的：矮星系合并成中等星系，中等星系合并成大星系。例如，在30-40億年之后，我們的銀河系就會(huì)與仙女座星系合并成一個(gè)更大的星系。

然而，空洞中的星系基本上沒(méi)有與其他星系合并的機(jī)會(huì)，它們是在幾乎完全孤立的環(huán)境下向前演化的，可謂星系中的活化石。這一特殊之處，使得空洞星系成了間接了解宇宙最早一批星系的絕佳場(chǎng)所。

目前為止，最富有成效的努力是荷蘭格羅寧根大學(xué)發(fā)起的調(diào)查研究，名為“空洞星系調(diào)查”。那里的天文學(xué)家利用斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，找到了60多個(gè)孤立的空洞星系。然后借助太空和地面上的天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步觀察這些“隱士”星系，分析它們的形狀、恒星的生成率以及其他屬性。

基于這些星系，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)空洞中的星系與“都市”中的星系似乎沒(méi)什么不同。當(dāng)然，正如所料想到的，空洞星系比較小。然而，它們?nèi)匀怀錆M活力。平均來(lái)說(shuō)，在可見光波段，空洞星系看上去比“都市”中的星系更藍(lán)，而能發(fā)出藍(lán)光的恒星通常都是大質(zhì)量恒星。大質(zhì)量恒星的壽命都不太長(zhǎng)，那么它們應(yīng)該是最近形成的。這說(shuō)明，許多空洞星系擁有充足的星際氣體供應(yīng)，可以產(chǎn)生新的恒星，甚至比“都市”中的星系更高產(chǎn)。

空洞星系與“都市”中的星系很相似，說(shuō)明傳統(tǒng)的模型，即小星系通過(guò)不斷合并變?yōu)榇笮窍担赡懿⒉皇切窍笛莼娜績(jī)?nèi)容。也許，一些或大多數(shù)的星系可能只是隨著時(shí)間的推移，不斷地從周圍環(huán)境中吸積星際氣體而變大的。如果我們能在空洞中找到星際氣體的話，那么就可以為這種觀點(diǎn)提供一些證據(jù)。

根據(jù)當(dāng)前天文學(xué)家的估計(jì)，宇宙將會(huì)繼續(xù)加速膨脹下去。空洞會(huì)膨脹得更大，最終會(huì)占據(jù)宇宙幾乎所有的空間。遙遠(yuǎn)的星系會(huì)跑到可觀測(cè)宇宙的范圍之外，隨之帶走的則是宇宙的演化故事。而我們所在的本星系團(tuán)最終要么都合并在一起，要么四分五裂，被虛無(wú)所統(tǒng)治。如果在億萬(wàn)年后，人類或其后裔仍存在的話，那么他們所能看見的宇宙空間將不僅僅是太空了，同時(shí)還是真正的空洞。