新研究：银河系或处于宇宙空洞的中心

　　银河系只是宇宙中数十亿个星系之一。所以，从大尺度层次上看，银河系并没有那么特别。但拉近到银河系邻近区域，情况就有所不同了。

　　越来越多的观测结果表明，银河系处在一个巨大的宇宙“空洞”（cosmic void）的正中心，这是迄今所观察到的最大的宇宙空洞。天文学家于2013年首次提出这个“空洞”的概念，从那时起，它存在的证据就不断增加。

　　但关键是，这个巨大的虚空从一开始就不应该存在。如果它确实存在，那就意味着我们对宇宙的理解可能有问题。

　　根据宇宙学基本理论“宇宙学原理”，宇宙中的物质应该在很大的尺度上均匀分布。这个原理很重要，因为通过假设均匀性，科学家可以将附近物体所遵从的物理学定律，同样应用于宇宙边缘上的物体。换句话说，一切物体都在同样的普遍法则下运行。

　　这是一种理解宇宙简单、直接的方法，它表明“空洞”不应该存在。

　　但过去十年的多次观测表明，宇宙中的物质可能会聚集形成高密度或低密度的区域，这意味着它可能并不那么均匀。

　　圣安德鲁斯大学博士后研究员英德拉尼尔‧巴尼克（Indranil Banik）告诉《商业内幕》（Business Insider），“现在看来，很明显我们身处一个密度非常低的宇宙区域。”

　　巴尼克去年与人合著了一篇论文，11月发表在同行评审的期刊《王家天文学会月刊》上。论文表明，我们可能生活在一个名为“KBC空洞”的中心，空洞宽约20亿光年，足以容纳2万个银河系。

　　KBC空洞违背了宇宙学定律

　　KBC空洞并非完全是虚空。这不可能，因为我们就生活在其中。但是，如果巴尼克及其同事的计算是正确的，那么这个空洞将比其边界之外的空间空旷大约20%。

　　根据最近的研究，这可能看起来不是一个很大的差别，但它足以在我们邻近的宇宙区域中引起一些令人困惑的行为。特别是，附近的恒星和星系远离银河系的速度比应有的速度要快。宇宙学家有一个称为“哈勃常数”（Hubble constant）的变量，用来描述宇宙膨胀的加速度。

　　无论你看向何处，无论是近处还是很远，哈勃常数都应该具有相同的数值。问题在于，银河系附近的星系和恒星似乎比哈勃常数预测的速度更快地远离我们，这本质上违反了宇宙学定律。

　　天文学家对于造成哈勃常数差异的原因无法达成一致，这一争论被称为哈勃张力（Hubble tension）。巴尼克认为，空洞可能是一个解决方案，因为空洞外引力更强的高密度区域可能会将星系和恒星拉向它们并远离我们。

　　他认为，天体远离我们的状态（外流，outflow）可以解释为什么宇宙学家在观察附近天体时计算出更高的哈勃常数值。因为天体在虚空中移动得更快，从空旷的区域飞向拥挤的外太空。

有科学家认为，银河系处于一个巨大宇宙空洞的中心，这个空洞宽度约20亿光年。此为该宇宙空洞的示意图。(Pablo Carlos Budassi/CC By-SA 4.0)

　　如果正如证据表明的那样，空洞确实存在，那可能意味着需要修改一些宇宙学物理定律。毕竟，巴尼克的理论可以解释为什么哈勃常数在银河系区域更高。

　　加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家兼物理学教授布赖恩‧基廷（Brian Keating）研究了这一现象，他一封电子邮件中告诉《商业内幕》，“局部空洞引发大量外流用以解释哈勃张力的假设似乎是合理的，尤其是考虑到那些支持它的观测数据。”

　　但仍有一些问题需要回答。其一，虚空的影响范围到底有多大？基廷写道，“如果局部虚空不能代表更广阔的宇宙，那这只是一个局部诠释，而并不会根本‘解决’哈勃张力问题。”

　　基廷还指出，巴尼克的理论有一定的局限性。他写道，该研究的结果取决于所用空洞模型的类型。不同模型对空洞效应和“体积流”或星系在宇宙中移动时的平均速度会产生不同的预测。另外，模型只能针对空洞的真实情况提供一个简单化了的图景。

　　所有这些都意味着空洞可以提供解决方案，但“这还不是解决哈勃张力问题的明确证据”，基廷写道。

　　还需要考虑其它解决方案，例如早期暗能量。正如基廷所说，该理论提出了一种新的能量形式，它会影响宇宙早期的膨胀率，最终导致我们今天观察到的哈勃张力。

　　但巴尼克指出，早期的暗能量理论与宇宙的某些事实相冲突。例如，必须修改古代恒星的年龄才能使其合理。否则，其年龄就会比宇宙本身还要老。

　　所以，他坚持空洞理论。他的下一个研究项目将分析超新星数据，以确定哈勃常数是否在空洞以外会回到宇宙学标准模型所预测的数值。如果他的理论是正确的，那么在空洞边界之外就不应该存在任何哈勃张力。

　　巴尼克说，“这是让我有点不安的主要事情，我担心超新星是否表明宇宙实际上正在更快地膨胀，并且没有存在空洞边缘的迹象。”

　　不过目前，哈勃张力仍是一个等待解开的谜团。