宇宙中最空曠之處或能解釋宇宙中神秘的“冷點”

想要一瞥宇宙中最古老的光，只需將老式電視機調到頻道之間：螢幕上跳動的小點是由天線不斷轟擊的光子造成的，這些光子是在大約138億年前宇宙大爆炸後不久發射出來的。這些光子從四面八方均勻地穿過太空，平均溫度為 2.7 開爾文（零下455華氏度），構成了被稱為宇宙微波背景 (CMB) 的輻射雲。由於這些光子非常古老，因此熟悉的 CMB 二維地圖通常被稱為宇宙的“嬰兒照片”，為我們提供了了解創造我們今天所見宇宙的原始條件的視窗。

然而，我們的嬰兒照片有一些瑕疵。像我這樣的物理學家稱之為異常現象，因為我們的標準宇宙學理論無法完全解釋它們。這些異常現象中最大的一種，最早是在 NASA 的威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 於 2004 年繪製的 CMB 地圖中發現的，是“冷點”，即天空中一塊覆蓋面積約為滿月寬度 20 倍的區域，那裡的古老光子異常寒冷。冷點就像我們嬰兒照片上的美人痣：對某些人來說，它是一個醜陋的痣，破壞了 CMB 的莊嚴對稱性；對另一些人來說，它增強了宇宙的特徵，增添了刺激。我屬於後一類：我一直對這種 CMB 異常現象以及可能解釋它的原因感到著迷。

這個謎題激發了科學家之間的許多討論。一種解釋可能是它純粹是偶然發生的，沒有任何具體原因。但偶然性是原因的機率很低：約為 200 分之一。其他可能性從平凡到奇妙不等——從分析宇宙的儀器出現問題，到暗示寒冷區域是通往另一個宇宙或隱藏維度的門戶。

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2007 年，透過從宇宙的一些已知特徵進行推斷，我和其他天體物理學家提出了這樣的想法：如果宇宙在天空的同一區域包含一個超級空洞——一個相對缺乏物質和星系的廣闊空間——那麼就可能會形成這樣一個冷點。這個空洞將是宇宙中最空曠的地方，是相對稠密環境中的一片罕見的巨大荒地。這個理論具有巨大的意義。如果這樣一個空洞確實存在，並以我們想象的方式導致了冷點，那麼出於複雜的原因，這個巨大的空曠區域也可能為暗能量提供證據，暗能量是被理論化的宇宙加速膨脹的罪魁禍首。今天，我和我在夏威夷大學的同事們已經證實了這個空洞的存在，我們正在發現令人興奮的線索，表明它可能確實可以解釋冷點。

穿越空洞

科學家們透過思考我們認為光與較小空洞相互作用的方式，得出了超級空洞可能存在併產生冷點的想法。假定的超級空洞將是極端的，但普通的中等大小的空洞（包含相對較少星系的區域）在宇宙中很常見。它們的對立面——星系團也很常見，星系團是由多達數千個星系組成的大型集合體。宇宙學家認為，空洞和星系團的種子出現在宇宙早期，當時隨機的量子力學過程導致某些空間區域的物質密度略低，而另一些區域的物質密度略高。過度密集區域中更大的質量產生了更強的引力，隨著時間的推移，將更多的物質吸引到它們那裡，並將其從密度較低的位置拉開。前者最終成長為星系團，後者則變成了空洞。

由於空洞幾乎沒有物質，因此它們就像任何穿過它們的物體上的山丘[見下圖]。當粒子移入空洞時，遠離周圍較高密度區域的較強引力，它的速度會減慢，就像球滾上山坡一樣；一旦它開始移出空洞，朝向稠密區域，它就會加速，就像滾下山坡一樣。CMB 光子的行為類似，儘管它們的速度不會改變（光速始終不變）。相反，它們會改變能量，而能量與它們的溫度成正比。當光子進入空洞時，它會爬上山丘並失去能量——也就是說，它會冷卻下來。在另一側滾下山丘時，光子會重新獲得能量。因此，如果宇宙不是以加速的速度膨脹，那麼它到達另一側時的溫度將與開始時的溫度相同。

點選或輕觸放大

但在過去的二十年中，科學家們發現宇宙不僅在膨脹，而且這種膨脹似乎正在加速。大多數宇宙學家將加速歸因於暗能量，這是一種假想的遍佈太空的負壓，似乎正在抵消引力的向內拉力。宇宙的加速為山丘場景增加了一個皺紋——從我們的 CMB 光子的角度來看，這意味著當它穿過空洞時，山丘周圍的平原有效地升高了，因此遠處的平坦地面變得高於近處的地面。結果，光子無法重新獲得爬山時失去的所有能量。淨效應是 CMB 光子在穿過空洞時會失去能量。因此，我們應該在低密度區域附近的微波背景中看到溫度下降。這種現象稱為綜合薩克斯-沃爾夫 (ISW) 效應。該效應也適用於超星系團，但在這種情況下，光子在穿過具有額外質量的廣闊區域時會獲得淨能量。

ISW 效應預計會非常小。即使對於大型空洞，它通常也會產生小於 CMB 平均波動的溫度變化，由於光釋放時新生宇宙的密度略有不同，CMB 平均波動約為萬分之一。但我們意識到，對於一個真正巨大的空洞——超級空洞——差異可能足以產生冷點。如果我們能夠證明超級空洞存在並且是異常現象背後的驅動力，那麼我們不僅可以解釋冷點。我們還將為暗能量提供確鑿的證據，因為只有在暗能量作用於宇宙並加速其膨脹的情況下，才會發生 ISW 效應。

搜尋超級空洞

天文學家在 2007 年首次開始尋找與冷點重疊的超級空洞。探測如此大的結構比聽起來更難。大多數天文勘測都會生成天空的二維圖片，但不會告訴我們圖片中的物體離我們有多遠。我們看到的星系可能都聚集在一起，也可能沿著我們的視線彼此間隔很遠。天文學家必須收集有關每個星系的更多資訊，以嘗試估計其距離——這是一項費力且通常成本高昂的任務。

2007 年，明尼蘇達大學的勞倫斯·魯德尼克和他的合作者正在檢視 NRAO VLA 天空巡天 (NVSS) 星系射電波目錄，發現與冷點大致對齊的空間區域的星系數量少於平均水平。儘管 NVSS 沒有包含有關巡天中星系具體距離的任何資料，但天文學家知道大多數 NVSS 星系都離我們非常遙遠。根據這些資料，他們假設可能存在一個極其巨大的超級空洞，可以透過 ISW 效應產生冷點，該空洞大約位於 110 億光年之外。這個想法的一個困難之處在於，現在到達我們的光在很久以前——大約在過去 80 億年中——就已經穿過了這樣一個遙遠的超級空洞。（不會是整整 110 億年前，因為自光線發射以來，宇宙已經膨脹到原來的兩倍大小。）在如此早期的宇宙時代，暗能量不會像今天這樣強大，因此 ISW 效應可能太微弱而無法產生冷點。

儘管魯德尼克的工作未能找到超級空洞的確鑿證據，但仍然引起了我的注意。我和本·格拉內特以及馬克·內林克（當時分別是夏威夷大學的博士生和博士後）進行了一項統計分析，以確定 CMB 中較小的特徵（相對溫暖或涼爽的區域，不如冷點那麼極端）與宇宙中已知的較小星系團和空洞重疊的頻率，我們發現這種重疊很常見。即使這些已知的結構都無法解釋冷點，但結果使我們相信，尋找與冷點重疊的超級空洞並非徒勞，值得繼續下去。

然後，我們設計了使用加拿大-法國-夏威夷望遠鏡 (CFHT) 進行的觀測，該觀測針對冷點區域的幾個小區域，並計算了其中的星系數量。令我們失望的是，當我們在 2010 年初進行觀測時，我們沒有發現魯德尼克預測的距離處存在超級空洞的跡象。事實上，我們可以排除存在距離超過約 30 億光年的超級空洞的可能性。英國布里斯托爾大學的馬爾科姆·布雷默和他的合作者進行的類似搜尋也沒有產生任何結果。

與此同時，同行重新評估了魯德尼克最初論文的統計顯著性，結果發現低於預期。因此，有一段時間，我們似乎需要放棄對冷點的 ISW 解釋。

點選或輕觸放大

然而，有一線希望。我們在資料中發現了一個暗示，即超級空洞可能潛伏在我們附近。矛盾的是，使用我們透過 CFHT 獲得的資料型別更難找到附近的空洞：在我們觀測的區域中，離我們越遠，覆蓋的物理區域就越大，因此星系計數可能越準確。在我們附近，我們區域內的體積很小，因此我們的統計顯著性很低。因此，我們只有大約 75% 的可能性認為我們在近距離看到的低星系計數暗示著超級空洞——按照科學標準，這僅僅是一線希望。為了決定此事，我們需要對更大的區域進行成像，基本上覆蓋整個冷點區域。當時，我們無法使用我們可用的望遠鏡獲得足夠的覆蓋範圍；格拉內特獲得了博士學位，現在在義大利布雷拉天文臺工作，內林克去了約翰·霍普金斯大學。

幸運的突破

對我來說幸運的是，幾年之內我就能夠獲得新的資料。大約在我與格拉內特和內林克道別的時候，我的家——夏威夷大學天文研究所完成了建造一臺新的望遠鏡：PS1，全景巡天望遠鏡和快速響應系統 (Pan-STARRS) 的初始觀測站。這正是我所需要的。該望遠鏡配備了世界上最大的相機，擁有 14 億畫素，位於茂宜島哈雷阿卡拉火山海拔 10,000 英尺處。

2010 年 5 月，我和其他幾所大學的聯盟開始使用 PS1 繪製四分之三的天空圖。我記得當時試圖說服 Pan-STARRS 的首席研究員尼克·凱澤，一旦儀器啟動，我們應該首先繪製冷點區域的地圖。雖然這沒有發生，但該區域位於望遠鏡最初幾年要勘測的區域內，我需要的測量結果會一點一點地到來。

在我們熱切等待這些新資料的同時，我開始與當時的博士生安德拉斯·科瓦奇合作，使用普朗克和 WMAP 衛星公開提供的 CMB 觀測資料，以及 NASA 的廣域紅外巡天探測器 (WISE) 衛星基於紅外光觀測的新發布的星系資料集，來研究 ISW 效應，並在可能的情況下搜尋超級空洞。

科瓦奇曾多次來夏威夷拜訪我，每次停留幾個月，夏天我則去布達佩斯拜訪他，他在那裡在厄特沃什·洛蘭大學學習。否則，我們每週都會舉行電話會議，由於檀香山和布達佩斯之間存在 12 小時的時差，我們的對話通常會持續到歐洲時間的深夜。在早期的一次會議中，我請他查詢 WISE 星系目錄中最大的低密度區域或空洞。幾天後，他給我發了一封電子郵件，其中包含目錄中最大空洞的影像和座標。閱讀他的訊息後，我立即意識到他發現的其中一個空洞與冷點所在的天空區域重合。我還沒有告訴科瓦奇我對超級空洞和冷點之間聯絡的興趣，因此這個發現讓我感到雙重興奮：由於科瓦奇不知道要尋找冷點聯絡，因此這個發現不可能受到希望找到關係證據的偏見的影響。由於 WISE 發現的星系比 NVSS 資料集中的星系更近，這是第二個線索，表明我們或許應該在附近尋找超級空洞。

從那時起，我們工作了多年，將最初的線索轉化為發現。我們使用了來自 WISE、Pan-STARRS 和 2 微米全天巡天 (2MASS) 的星系組合資料集，但我們需要為這些星系分配距離。測量距離的一種方法是觀察物體的“紅移”——其光線向電磁頻譜紅色側移動的量。星系離我們越遠，它遠離我們的速度就越快，其紅移就越大。儘管我們無法獲得星系的精確紅移測量值，但我們可以透過分析它們的顏色來估計它們的近似紅移，將我們對星系在各種顏色波段中未發生紅移的亮度的猜測與我們觀察到的亮度進行比較。

最後，我們可以為冷點方向的每個星系分配一個距離，我們建立了一系列斷層切片——對應於與地球不同距離的宇宙平面圖片。第一組影像看起來像蘋果的垂直切片，揭示了一個大致呈球形並向其中心增長的超級空洞。事實證明，這個巨大的空洞一直隱藏在我們附近，大約在 30 億光年之外，這就是為什麼它如此難以被發現。

在接下來的幾個月中，我們查看了資料的統計資料，發現超級空洞的證據非常顯著——換句話說，我們非常確信存在與冷點對齊的低密度區域。事實上，這個超級空洞非常巨大：跨度達 18 億光年，使其可能成為人類迄今為止發現的最大的結構。它可能是一個非常罕見的物體——宇宙學理論表明，在我們的可觀測宇宙中應該只有少數幾個這樣的物體。

理解冷點

我們終於找到了我們的超級空洞。我們從之前的研究中知道，空洞和星系團對 CMB 有可測量的影響，會產生小的冷熱點。我們發現的超級空洞確實與 CMB 中最顯著的異常現象對齊。謎題解決了嗎，對吧？

不完全是。僅僅是超級空洞的存在，甚至它與冷點區域的對齊，都不足以明確地得出結論，認為其中一個導致了另一個。它們可能是偶然對齊的。然而，我們的分析保守地估計，超級空洞造成冷點的可能性比僅僅是巧合的可能性高 20,000 倍。

然而，我們面臨著更大的問題。儘管超級空洞的位置正確，可以解釋冷點，但它的大小卻不太正確。為了解釋為什麼冷點比 CMB 平均溫度低得多，超級空洞需要比它看起來更大，可能要大兩到四倍。這種差異如此難以接受，以至於一些科學家認為，超級空洞與冷點區域重疊的事實僅僅是一個僥倖。他們建議我們尋找其他解釋，例如星系釋放到太空中的輻射少於我們預期的可能性——這種現象可以在一定程度上模仿 ISW 效應。此外，儘管我們的觀測清楚地證明了超級空洞的存在，但我們不能足夠確定其大小、形狀和位置，從而對其應有的影響進行精確計算。特別是，如果超級空洞的形狀向我們方向拉長，或者如果幾個球形空洞在冷點方向彼此堆疊（像雪人一樣），那麼空洞可以更容易地解釋其存在。因此，我們尚不清楚超級空洞的大小對我們的理論造成了多大的困難。

我們需要更多資料。我們已經在計劃對 PS1 繪製的整個天空區域（而不是最初的部分割槽域）重複我們的研究，並使用科學家額外改進的觀測結果來減少不確定性。使用此資料集，我們可以量化我們的測量結果與理論之間的差異，以確定這是否需要修改我們對 ISW 效應和空洞的看法。這種差異可能正在告訴我們一些有趣的事情。例如，一類不同於廣義相對論的引力替代理論具有獨特的特徵，這種特徵只會出現在空洞中，如果其中一個理論被證明是正確的，那麼 ISW 機制也可能以不同的方式運作。如果我們的超級空洞已經暗示了這些理論，那麼我們可能會有一個令人興奮的機會，可以比我們目前所知的更深入地瞭解宇宙。

無論如何，超級空洞的發現都將告訴我們一些關於物理學的重大資訊——也許它是暗能量存在的證據，或者它揭示了關於引力如何運作的更令人驚訝的真相。在未來的幾年裡，我們應該更多地瞭解超級空洞，從而更多地瞭解我們所居住的宇宙的本質。