太空最空曠之處或能解釋宇宙中神秘的“冷斑”

要一睹宇宙中最古老的光，只需將舊電視調到頻道之間：螢幕上閃爍的一些小點，是天線不斷受到約138億年前大爆炸後不久發出的光子轟擊的結果。這些光子以平均2.7開爾文（−455華氏度）的溫度，從所有方向均勻地穿過太空，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”，它為了解創造我們今天所見宇宙的原始條件提供了一個視窗。

然而，我們的嬰兒照片有一些瑕疵。像我這樣的物理學家稱它們為異常現象，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是“冷斑”，它最早是在2004年美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的CMB地圖中發現的，它是天空中一個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。冷斑不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，並增加了興奮感。我屬於後一類：我一直對這個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們的大量討論。一種解釋可能是它純粹是偶然產生的，沒有任何具體原因。但偶然性是原因的可能性很低：大約為兩百分之一。其他可能性從平凡到奇幻不等——從分析宇宙的儀器出現問題，到冷區是通往另一個宇宙或隱藏維度的門戶的說法。

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2007年，透過對宇宙中一些已知特徵進行推斷，我和其他天體物理學家突然想到，如果宇宙在天空的同一區域包含一個超空洞——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斑。這個空洞將是太空最空曠的地方，是在相對稠密的環境中罕見的巨大荒地。該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斑，那麼這個巨大的空曠區域可能出於複雜的原因，也為暗能量提供了證據，暗能量是宇宙加速膨脹的理論罪魁禍首。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，並且我們正在發現誘人的線索，表明它確實可以解釋冷斑。

穿越空洞

科學家們想到超空洞可能存在併產生冷斑，是透過思考我們認為光與較小空洞相互作用的方式。假定的超空洞將是極端的，但規則的中等大小的空洞——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，星系團是多達數千個星系的巨大集合。宇宙學家認為，空洞和星系團的種子起源於宇宙早期，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。密度過高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。前者最終演變成星系團，後者變成了空洞。

由於空洞幾乎沒有物質，因此它們對於任何穿過它們的物體都像山丘[見下方方框]。當粒子移入空洞時，遠離周圍較高密度區域的更強引力，它會像滾上山丘的球一樣減速；一旦它開始移出空洞並朝向稠密區域，它就會像滾下山丘一樣加速。CMB光子表現類似，儘管它們的速度不會改變（光速始終是恆定的）。相反，它們會改變能量，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，它到達另一側時的溫度將與其開始時的溫度相同。

點選或輕擊放大

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。大多數宇宙學家將這種加速歸因於暗能量，暗能量是一種假想的負壓，它似乎在抵消引力的向內拉力。宇宙的加速為山丘情景增加了一個皺褶——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，因此遠側的平地比近側的平地更高。結果，光子無法重新獲得它爬上山丘時失去的所有能量。最終的結果是，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-沃爾夫效應（ISW）。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效應預計會非常微小。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平均波動大約為萬分之一。但是，我們意識到，在真正巨大的空洞——超空洞的情況下，這種差異可能足以產生冷斑。如果我們能夠證明超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斑。我們還將為暗能量提供確鑿的證據，因為ISW效應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。

尋找超空洞

天文學家在2007年首次開始尋找與冷斑重疊的超空洞。探測如此大的結構比聽起來要困難。大多數天文調查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分散開來。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）的射電波星系目錄，發現與冷斑大致對齊的空間區域的星系比平均水平少。雖然NVSS沒有包含有關調查中星系具體距離的任何資料，但天文學家知道大多數NVSS星系離我們非常遙遠。根據這些資料，他們假設可能存在一個巨大的超空洞，它可以透過ISW效應產生冷斑，大約在110億光年之外。這個想法的一個困難之處在於，現在到達我們的光已經穿過這樣一個遙遠的超空洞很久以前了——大約在過去80億年。 （不會是整整110億年前，因為自光發出以來，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效應可能太小而無法產生冷斑。

魯德尼克的工作雖然未能找到超空洞的確鑿證據，但仍然引起了我的注意。我和當時夏威夷大學的博士生本·格拉內特和博士後馬克·內林克一起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，它們不如冷斑那樣極端——與宇宙中已知較小的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斑，結果也使我們相信，尋找與冷斑重疊的超空洞並非魯莽之舉，值得繼續進行。

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，該觀測針對冷斑區域的幾個小區域，並計算了其中的星系數。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的超空洞跡象。事實上，我們可以排除在約30億光年以外的距離存在超空洞的可能性。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結果。

與此同時，同行重新評估了魯德尼克最初論文的統計學意義，結果證明其統計學意義低於預期。因此，有一段時間，我們似乎需要放棄對冷斑的ISW解釋。

然而，一線希望是，我們在資料中發現了一個暗示，表明超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，更難找到附近的超空洞：在我們觀測的區域中，離我們越遠，覆蓋的物理區域越大，因此星系計數可能越準確。在我們附近，我們區域中的體積很小，因此我們只有較低的統計學意義。因此，我們只有大約75%的機率認為我們近距離看到的低星系計數暗示了超空洞的存在——按照科學標準，這僅僅是一線希望。為了確定此事，我們需要對更大的區域進行成像，基本上覆蓋整個冷斑區域。當時，我們無法使用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資料。大約在我與格拉內特和內林克告別的時候，我的家鄉夏威夷大學天文研究所完成了建造一臺新望遠鏡：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，位於毛伊島哈萊亞卡拉火山海拔10,000英尺處。

2010年5月，在一個由其他幾所大學組成的聯盟中，我和我的同事開始使用PS1繪製四分之三的天空地圖。我記得試圖說服當時的Pan-STARRS首席研究員尼克·凱澤，一旦儀器啟動，我們應該首先繪製冷斑區域的地圖。雖然這沒有發生，但該區域在望遠鏡最初幾年要調查的區域內，我需要的測量結果會一點一點地出現。

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衛星公開發布的CMB觀測資料，以及美國宇航局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，研究ISW效應，並在可能的情況下搜尋超空洞。

科瓦奇幾次來夏威夷拜訪我，每次幾個月，夏天我去布達佩斯拜訪他，他在那裡就讀於厄特沃什·洛蘭大學。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有12小時的時差，我們的談話常常持續到歐洲時間的深夜。在早期的一次會議中，我請他在WISE星系目錄中找到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，我立即意識到他發現的一個空洞與冷斑所在的天空區域重合。我還沒有告訴科瓦奇我對超空洞和冷斑之間聯絡的興趣，因此這個發現對我來說加倍令人興奮：由於科瓦奇不知道要尋找冷斑聯絡，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，表明也許我們應該在附近尋找超空洞。

從那時起，我們花了數年時間將最初的線索轉化為一項發現。我們使用了來自WISE、Pan-STARRS和兩微米全天巡天（2MASS）的星系的組合資料集，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，紅移也就越大。雖然我們沒有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，將我們對星系在各個顏色波段中未紅移亮度的猜測與我們觀察到的亮度進行比較。

最後，我們可以為冷斑方向的每個星系分配一個距離，並且我們建立了一系列斷層掃描切片——對應於距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空洞。事實證明，這個巨大的空洞一直隱藏在我們附近，大約30億光年之外，這就是為什麼它如此難以發現的原因。

在接下來的幾個月中，我們查看了資料的統計資料，發現超空洞的證據具有壓倒性的意義——換句話說，我們非常確信存在一個與冷斑對齊的低密度區域。而且，事實上，這個超空洞非常巨大：橫跨18億光年，使其可能成為人類有史以來識別出的最大結構。它可能是一個非常罕見的天體——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天體。

理解冷斑

我們終於找到了我們的超空洞。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，會產生小的冷斑和熱斑。我們發現的超空洞確實與CMB中最顯著的異常現象對齊。謎題解開了，對嗎？

不完全是。僅僅超空洞的存在，甚至它與冷斑區域的對齊，都不足以明確地得出結論，即一個是另一個的原因。它們可能是偶然排列在一起的。然而，我們的分析保守地估計，超空洞造成冷斑的可能性比僅僅是巧合的可能性高20,000倍。

然而，我們面臨著一個更大的問題。雖然超空洞的位置正確，可以解釋冷斑，但它的大小卻不太合適。為了解釋為什麼冷斑比CMB平均溫度低得多，超空洞需要比它看起來更大，可能大兩到四倍。這種差異如此難以接受，以至於一些科學家認為超空洞與冷斑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可能比我們預期的要少——這種現象在一定程度上可以模仿ISW效應。此外，儘管我們的觀測清楚地證明了超空洞的存在，但我們無法足夠確定其大小、形狀和位置，從而對其應有的效應進行精確計算。特別是，如果超空洞的形狀向我們方向延伸，或者如果幾個球形空洞在冷斑方向彼此堆疊（像雪人一樣），那麼該空洞可能更容易解釋冷斑的存在。因此，我們尚不清楚超空洞的大小對我們的理論構成多大的困難。

我們需要更多資料。我們已經在計劃對已使用PS1繪製地圖的整個天空區域重複我們的研究，而不是最初的部分割槽域，並使用科學家們額外改進的觀測資料來減少不確定性。透過這個資料集，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，一類與廣義相對論不同的引力替代理論具有獨特的特徵，該特徵只會出現在空洞中，如果其中一種理論被證明是正確的，那麼ISW機制也可能會以不同的方式執行。如果我們的超空洞為這些理論提供了一些暗示，那麼我們可能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。在未來幾年，我們應該更多地瞭解超空洞，從而更多地瞭解我們生活在其中的宇宙的本質。