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探秘宇宙空洞

星系都市旁的空旷郊区

“太空”其实是对宇宙空间的一个很恰当的称呼,毕竟那里基本啥也没有。我们这里与月球相隔大约38万千米,在这之间,基本上什么也没有——最多是一些氢原子、氦原子以及其他的尘埃粒子等。在更大的范围里,这种“空无一物”变得难以置信的巨大。例如,银河系与仙女座星系相隔约250万光年,它们之间是一片荒凉之地,基本没有几颗恒星。
然而,在可观测宇宙范围内,银河系和仙女座星系其实是近邻。就像邻里之间可以隔着窗户看见彼此一样,我们也可用肉眼看见仙女座星系。宇宙中绝大多数的星系都喜欢聚集在一起。它们聚集成社区、城镇以及都市,对应的天文学术语分别叫做星系群(星系数量在50个左右或更少)、星系团(星系数量可达成百上千个)以及超星系团(由多个星系群和星系团构成)。宇宙中超星系团、星系团以及星系群一起,可以组成一种超大的纤维状的结构,这是目前已知的最大结构。我们的银河系坐落于本星系群中。本星系群直径大约有1000万光年,包含50多个星系。而本星系群又属于范围更大的室女座超星系团,也叫做本超星系团。
与这些星系都市相反,剩余的空旷郊区则被称为宇宙空洞。例如,在距离地球大约7亿光年的直径约2.5亿光年的牧夫座空洞那里,只有几十个小星系点缀在其中。如果它不是空洞而是星系团的一部分,那么那里至少得有1万个星系。
最近几十年,天文学家才明白,宇宙中最为普遍的地方是这些空洞,而不是那些星系都市。空洞大约占据了宇宙空间的60%以上。现在,空洞正成为天体物理学中的重要研究对象之一。因为它们几乎空无一物,成为了测试宇宙各种现象的独特的实验室。可以说,空洞里充满着答案。

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纺织出宇宙网

20世纪70年代末,天文学家开始研究宇宙三维结构的时候,发现了空洞的身影。
天文学家依赖于检测星系的红移,来估计它们在宇宙中的位置:一个星系离我们越远,发出的光线会因宇宙膨胀拉伸得越长,光谱的谱线就会越靠近红色的一端。一些星系在太空中勾画出了一个巨大的空心口袋。于是,在1981年,天文学家发现了一个很大的空洞——牧夫座空洞。6年后,天文学家发现了本空洞——一个与本星系群相邻的空洞。
空洞的发现颠覆了一个普遍接受的观点——宇宙中的物质是均匀分布的。现在,我们了解到,宇宙类似于瑞士奶酪或肥皂泡沫,在巨大的空洞之间,聚集着数不尽的星系。
天文学家把这种结构称之为“宇宙网”,并认为这种结构是早期宇宙中原始物质涨落所演化出来的。宇宙早期,暗物质——这种神秘的、看不见的物质,被认为占了宇宙物质总量的85%左右——集结成群,用引力牵引着普通物质。随着宇宙的膨胀,这些物质分布较密集的区域最终变成了星系群、星系团,留下物质分布较稀疏的区域变得更空,最终变为了空洞。

空洞在排斥着物质

多年来,科学家研究的重点始终是宇宙网中的发光部分,没有人关心空洞。
在过去的20年中,天文学家们发现,空洞不仅仅是空无一物的被动的地方。空洞会随时间变化,还能驱使星系聚集成纤维状结构。所以说,要想了解宇宙的演变,我们需要了解空洞。
2000年开始的斯隆数字巡天项目——一个使用美国新墨西哥州阿帕契点天文台的2.5米口径望远镜进行的红移巡天项目——大大帮助了我们对空洞的理解。斯隆以及其他新出的红移巡天项目,已经发现了成千上万个空洞。
总体来说,在当前的宇宙中,这些空洞通常是椭圆形,跨度在5000万到1.5亿光年之间。但在几十亿年前,空洞更小。这表明空洞正不断变大,有时应该还会发生合并。另外,模拟和观测显示,空洞也正变得越来越空。毕竟,低密度区域引力作用弱,而周围高密度区域引力作用强,于是,物质就不断地被吸引到高密度区域。所以从某种程度上来说,空洞具有排斥效应,赶跑物质,使得自己越来越空。
就拿我们所在的本星系群来说吧,银河系,连同我们的星系邻居,正以每秒600多千米的速度接近巨引源——一个相当于数万个银河系质量的引力中心,距离我们有1.5亿至2.5亿光年,位于本超星系团中心附近。而天文学家根据附近星系的运动,分析了本空洞的排斥效应。结果表明,使本星系群飞快移动的力量,大约有40%是本空洞的排斥效应贡献的。这表明,空洞对宇宙大尺度结构有着很重要的影响。

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躲在空洞里的变色龙

空洞的重要性远不只这些。20世纪90年代,天文学家们注意到宇宙大约在50亿年前开始加速膨胀。现在,还没有什么好的理论可以解释宇宙为何要加速膨胀。
天文学家们提出了几种解释。一种解释是认为我们当前的引力理论是正确的,就是爱因斯坦的广义相对论所描述的那样,但是空间本身还有一种具有排斥作用的能量。这就是所谓的暗能量。
另一种解释是,广义相对论在大尺度下并不准确。广义相对论可以很好地应用在小范围内,例如太阳系中行星的运动,但是在宇宙更大的尺度下,引力可能是不同的。也就是说,我们需要修改引力理论。
与星系群等区域相比,空洞那里的引力比较弱,那里应该能感觉到更多的暗能量效应,或另一种不同形式的引力。所以,天文学家希望通过分析空洞的大小、位置、质量以及质量分布情况,找出一些线索。尤其是希望能搞清楚空洞排斥物质到底有多快,然后再分析哪个理论与观测最为贴切。
除此之外,一些科学家还提出了第三种解释,认为除了引力、电磁力、强核力和弱核力以外,宇宙中可能还有着一种新的未知的基本力,即第五种力,在发挥着加速宇宙的作用。其中最受欢迎的候选者,则是一种像变色龙一样的力。这种力会在物质密度较高的地方隐藏自己,在物质密度较低的地方显现出来,就像可隐藏自己的变色龙一样。很显然,空洞那里的物质很少,是寻找这种力的绝佳场地。
就理论而言,目前暗能量模型仍是最好的解释。也许在将来,随着我们对空洞的理解,后两者中的一个可能会胜出。

空洞中的隐士

尽管空洞中有着关于宇宙结构和基本力的答案,但研究空洞更有助于解决星系形成的问题。空洞中的星系(空洞星系)是罕见的,在很长一段时间里,天文学家对它们几乎一无所知。
传统观点认为,星系通常是通过合并而不断变大的:矮星系合并成中等星系,中等星系合并成大星系。例如,在30-40亿年之后,我们的银河系就会与仙女座星系合并成一个更大的星系。
然而,空洞中的星系基本上没有与其他星系合并的机会,它们是在几乎完全孤立的环境下向前演化的,可谓星系中的活化石。这一特殊之处,使得空洞星系成了间接了解宇宙最早一批星系的绝佳场所。
目前为止,最富有成效的努力是荷兰格罗宁根大学发起的调查研究,名为“空洞星系调查”。那里的天文学家利用斯隆数字巡天项目的数据,找到了60多个孤立的空洞星系。然后借助太空和地面上的天文望远镜进一步观察这些“隐士”星系,分析它们的形状、恒星的生成率以及其他属性。
基于这些星系,天文学家发现空洞中的星系与“都市”中的星系似乎没什么不同。当然,正如所料想到的,空洞星系比较小。然而,它们仍然充满活力。平均来说,在可见光波段,空洞星系看上去比“都市”中的星系更蓝,而能发出蓝光的恒星通常都是大质量恒星。大质量恒星的寿命都不太长,那么它们应该是最近形成的。这说明,许多空洞星系拥有充足的星际气体供应,可以产生新的恒星,甚至比“都市”中的星系更高产。
空洞星系与“都市”中的星系很相似,说明传统的模型,即小星系通过不断合并变为大星系,可能并不是星系演化的全部内容。也许,一些或大多数的星系可能只是随着时间的推移,不断地从周围环境中吸积星际气体而变大的。如果我们能在空洞中找到星际气体的话,那么就可以为这种观点提供一些证据。
根据当前天文学家的估计,宇宙将会继续加速膨胀下去。空洞会膨胀得更大,最终会占据宇宙几乎所有的空间。遥远的星系会跑到可观测宇宙的范围之外,随之带走的则是宇宙的演化故事。而我们所在的本星系团最终要么都合并在一起,要么四分五裂,被虚无所统治。如果在亿万年后,人类或其后裔仍存在的话,那么他们所能看见的宇宙空间将不仅仅是太空了,同时还是真正的空洞。

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