一个“超级空洞”能解决关于宇宙膨胀速度的无休止的争论吗？

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一张代表横跨宇宙的宇宙物质网中的基南-巴格-考伊超空泡的图。银河系位于虚空的中心。(图片来源:AG kro upa/波恩大学)

（）据美国太空网（基思·库珀）：如果我们的星系，银河系，位于一个20亿光年宽的真空中，我们宇宙膨胀速率的不同测量之间的主要差异就可以得到解释。这是科学家的结论，他们认为修正的引力理论可以取代宇宙学的标准模型。然而，这个假设受到许多天文学家的强烈质疑。

宇宙学的标准模型描述了我们如何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，似乎导致宇宙加速膨胀，而暗物质提供了宇宙中的大部分引力，被认为以光环状包围着星系，同时防止它们分崩离析。总之，这些难以捉摸的现象描述了物质如何在宇宙中分布，以及星系如何相对于彼此运动。

然而，标准宇宙学模型要克服的最大挑战之一就是所谓的“哈勃张力”。这个概念不是像你想象的那样以太空望远镜命名，而是以它的名字命名，天文学家埃德温·哈勃。1929年，埃德温·哈勃发现一个星系离我们越远，它离我们越远。他能够推导出一个关系来描述这种联系，这个关系后来被称为哈勃-勒梅特定律(以比利时理论物理学家和牧师乔治·勒梅特命名，他也独立地发现了这个定律)。它说，星系远离我们的速度是其距离乘以宇宙膨胀率的产物，宇宙膨胀率由一个称为哈勃常数的参数给出。

自埃德温·哈勃时代以来，天文学家们一直努力以更高的精度测量哈勃常数。通过知道哈勃常数，从而精确地知道宇宙膨胀的速度，我们可以计算出宇宙要达到现在的大小必须有多老。我们目前最精确的测量表明宇宙的年龄为138亿年。

但是，有一个问题。

通过测量Ia型超新星的红移光来测量宇宙的膨胀，得出哈勃常数为每秒每百万帕73.2千米。换句话说，它说每一个百万帕秒的空间体积(一个秒差距是3.26光年，一个百万帕秒是一百万秒差距，所以是326万光年)每秒膨胀73.2公里(45.5英里)。

然而，宇宙的膨胀速率也包含在宇宙微波背景辐射的物理学中。欧洲航天局普朗克任务对CMB的测量给出的哈勃常数为每秒67.4千米/兆帕秒。两次测量都达到了很高的精度，但它们不可能都是正确的。

这种奇怪的二分法被称为哈勃张力，现在可以说是宇宙学中最令人烦恼的问题。尽管一些天文学家怀疑这是某处测量误差的产物，但其他人认为这可能暗示着新的物理学。

这正是德国、苏格兰和捷克共和国科学家的一篇新论文所提出的。

该论文的作者之一，德国波恩大学的Pavel Kroupa在一份新闻声明中说:“宇宙…似乎在我们附近膨胀得更快，也就是说，距离我们大约30亿光年。”“事实不应该是这样的。”

他们的假设集中在一个被称为Keenan-Barger-Cowie超级空洞的天体物理奇怪现象上，这个名字是以研究它的三位天文学家的名字命名的。科学家们说，超级空洞是宇宙中所谓的物质“密度不足”，从统计上看，这个区域的星系平均较少——而我们的银河系恰好位于它的正中央。

在这个超级空洞之外，星系的密度平均要高一点，从而产生更大的引力，将超级空洞内的物体拉向它们。研究小组认为，这可能会给人一种印象，即我们附近的空间正在以更快的速度膨胀，因为星系被物质的引力拖到了超空间之外。

“这就是为什么它们离开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Indranil Banik说。

宇宙学的标准模型认为，物质应该相当均匀地分布在宇宙中，任何空隙都不应该超过一定的大小。因此，很难解释像基南-巴尔杰-考伊大空洞这样大的超级空洞。一些天文学家，包括Kroupa和Banik，认为标准模型无法解释它，而其他人如Martin Sahlén，inigo zubeldia和牛津大学的Joseph Silk公开表示可以。

在Kroupa，Banik和他们的合著者(波恩大学的塞尔吉·马祖伦科和捷克共和国查理大学的莫里茨·哈斯鲍尔)的假设中，我们当前的引力理论，因此也是暗物质，被一种叫做修正牛顿动力学的新理论所取代，简称MOND。这种假设认为，在低加速度下，引力的表现与爱因斯坦和牛顿描述的不同，额外的引力可以取代对暗物质的需求。在MOND范式中，宇宙可以更容易地创造出像Keenan-Barger-Cowie超级空洞这样的大空洞。

然而，空洞的存在会影响对宇宙膨胀速率的测量，这一观点在过去一直备受争议。诺贝尔奖获得者、巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的亚当·里斯(Adam Riess)与约翰·霍普金大学的w·达西·肯沃西(W. D'Arcy Kenworthy)和美国杜克大学的丹·斯科尼克(Dan Scolnic)一起领导了用Ia型超新星测量哈勃常数的工作，他们证明了在超级空洞边界之外观察到的Ia型超新星与空洞内部的超新星具有相同的膨胀率。作为回应，克鲁帕、巴尼克、马祖伦科和哈斯鲍尔认为，超级空洞的影响将远远超出空洞本身，因此人们预计会在空洞范围之外的超新星中测量到更高的膨胀率。

其他测量哈伯常数的方法，独立于超空间和宇宙学的标准模型，也认为哈伯张力无法解释。通过跟踪在遥远星系中围绕超大质量黑洞运行的分子云中的水脉泽在天空中形成的角距离，并从几何学中推导出它们的物理距离，产生了每秒每百万帕秒73.9公里的哈勃常数值，鉴于脉泽测量的不确定性，这接近于Ia型超新星的测量值。还有h olicow(H0指的是哈勃常数)项目，该项目研究早期宇宙中类星体发出的光如何通过前景引力透镜采取不同长度的不同路径。类星体的亮度经常有波动；当穿过引力透镜的不同路径时，宇宙仍在膨胀，这种膨胀的速率印在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秒73.3公里/百万帕秒，几乎与Ia型超新星的值相同。

这些测量结果与CMB的测量结果相冲突，并且与超级空洞可以产生哈伯张力的假设无关。所以最终，如果这个假设是有腿的，看来克鲁帕、巴尼克、马祖伦科和哈斯鲍尔将不得不说服更多的人。

该假说于11月发表在《皇家天文学会月刊》上。