宇宙空洞會(huì)影響到宇宙的正常膨脹嗎？

“大爆炸的聲音”表明地球可能位于一個(gè) 20 億光年寬的宇宙空洞中

我們證明了空洞模型比無(wú)空洞模型的可能性大約高出一億倍?！?/p>

一個(gè)星系正被封閉在低密度的哈勃?dú)馀葜校▓D片來(lái)源：羅伯特 ·李）

地球、銀河系以及更廣泛的宇宙區(qū)域，位于一個(gè)比宇宙其他部分更低密集度的空洞之中。如果真是這樣，這將解決宇宙學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)最令人沮喪的問(wèn)題，即“哈勃張力”。

新的研究表明，來(lái)自宇宙初始時(shí)刻的“重子聲學(xué)振蕩（BAOs）”，可以將其想象成“大爆炸的聲音”，一定程度上支持了局部空洞或“哈勃?dú)馀荨钡母拍睢?/p>

“哈勃效應(yīng)”源于這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)采用不同的測(cè)量方法時(shí)，宇宙膨脹的速度（即所謂的哈勃常數(shù)）也不同。一種方法通過(guò)對(duì)本地宇宙的天文觀測(cè)來(lái)確定哈勃常數(shù)，而另一種方法則是將整個(gè)宇宙的平均值作為其數(shù)值。這意味著，如果本地宇宙處于低密度的“哈勃?dú)馀荨敝?，那么它?huì)比密度更高、范圍更廣的宇宙膨脹得更快，這就解釋了為什么觀測(cè)結(jié)果給出的哈勃常數(shù)值更大，宇宙膨脹速度也更快，而理論上的平均值則較慢。

研究作者、樸茨茅斯大學(xué)的因德拉尼爾·班克在一份聲明中表示：“這種不一致現(xiàn)象的一個(gè)潛在解決方案是，我們的星系靠近一個(gè)大型的、局部的空洞中心。這會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)在引力作用下被拉向空洞外部的高密度區(qū)域，從而使空洞隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越空曠?！彪S著空洞逐漸變空，遠(yuǎn)離我們的物體的速度會(huì)比空洞不存在時(shí)更快。因此，這就會(huì)呈現(xiàn)出一種局部膨脹速度更快的假象?！?/p>

哈勃張力：是“局部問(wèn)題”嗎？

計(jì)算哈勃張力有兩種方法。其一，科學(xué)家們觀測(cè)一種被稱為“宇宙化石”的現(xiàn)象，即宇宙微波背景（CMB）。這是最初能夠自由在宇宙中傳播的光線，即 CMB 是一種幾乎均勻且全面地充滿整個(gè)宇宙的輻射場(chǎng)?？茖W(xué)家們可以通過(guò) Lambda 冷暗物質(zhì)模型（LCDM），這一宇宙學(xué)的模型來(lái)觀測(cè) CMB 并利用其演變完成計(jì)算。由此，得出宇宙當(dāng)前的哈勃常數(shù)值，而不僅是局部的數(shù)值。

另外，天文學(xué)家還會(huì)利用 Ia 型超新星或變星的觀測(cè)數(shù)據(jù)（變星是天文學(xué)家所稱的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”中的兩種例子）來(lái)測(cè)量其所在星系的距離。這些星系遠(yuǎn)離地球的速度可以通過(guò)這些天體發(fā)出光線的波長(zhǎng)變化（即“紅移”）來(lái)確定。紅移值越大，星系遠(yuǎn)離地球的速度就越快。通過(guò)這種方法可以計(jì)算出哈勃常數(shù)。但問(wèn)題在于，這種對(duì)本地宇宙的觀測(cè)方法得出的哈勃常數(shù)值大于通過(guò)考慮整個(gè)宇宙的“l(fā)a”模型所得到的理論值。因此就出現(xiàn)了哈勃張力現(xiàn)象。

重子聲學(xué)振蕩（BAOs）——“大爆炸之聲”——支持了局部空洞存在的觀點(diǎn)。（圖片來(lái)源：加布里埃拉·塞卡拉，圓周理論物理研究所）

班尼克將差異化歸于局部問(wèn)題

“哈勃張力很大程度上是一偶然現(xiàn)象，幾乎沒有證據(jù)表明膨脹率與標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的預(yù)期不一致，”班尼克說(shuō)?！八?，像局部空洞這樣的個(gè)別解決方案是解決問(wèn)題的一種很有希望的方法?！?/p>

要使這種局部空洞理論解決哈勃常數(shù)的矛盾，地球和太陽(yáng)系就必須大致位于低密度哈勃泡的中心。要使這種局部空洞理論解決哈勃張力問(wèn)題，地球和太陽(yáng)系就必須大致位于低密度哈勃泡的中心。哈勃泡的直徑大約要達(dá)到 20 億光年，其密度要比宇宙平均物質(zhì)密度低約20％。

的確，對(duì)該地宇宙中星系數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表明其密度低于宇宙相鄰區(qū)域的密度。

然而，一個(gè)重大障礙在于，如此巨大的虛空的存在與“勒梅特-迪安-霍爾特-麥克斯韋模型”（即“冷暗物質(zhì)模型”）并不相符。該模型認(rèn)為物質(zhì)應(yīng)當(dāng)在各個(gè)方向上均勻分布，或者說(shuō)“在整個(gè)宇宙中呈‘各向同性和均勻’分布”。

插圖顯示了一個(gè)沒有比例的銀河系坐落在宇宙中一個(gè)孤獨(dú)的空洞中。（圖片來(lái)源：羅伯特·李）

班尼克獲取的新數(shù)據(jù)表明，被稱為“重子聲學(xué)振蕩”（簡(jiǎn)稱 BAO）的宇宙大爆炸聲實(shí)際上支持了局部空洞的概念，這與“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”（LCDM）的觀點(diǎn)相悖?！斑@些聲波在宇宙冷卻到足以形成中性原子時(shí)才暫時(shí)停止傳播，并固定在原地不動(dòng)狀態(tài)。”班尼克解釋道?！八鼈兙拖褚粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺子，其角度大小我們可以用來(lái)描繪宇宙的膨脹歷史?！卑嗄峥苏J(rèn)為，局部空洞會(huì)略微扭曲 BAO 角度尺度與紅移之間的關(guān)系。這是因?yàn)榫植靠斩匆鸬乃俣茸兓捌湟π?yīng)除了由宇宙膨脹引起的紅移之外，還會(huì)進(jìn)一步增加紅移。

班尼克補(bǔ)充道：“過(guò)去 20 年內(nèi)所有可獲取的 BAO（宇宙背景漲落）測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)，存在空洞的模型比沒有空洞的模型要多出約一億倍的可能性。而這種沒有空洞的模型的參數(shù)設(shè)定正是為了與‘普朗克衛(wèi)星’所獲取的宇宙微波背景觀測(cè)結(jié)果相匹配，即所謂的‘普朗克均勻宇宙學(xué)’?！?/p>

班尼克及其團(tuán)隊(duì)接下來(lái)會(huì)通過(guò)空洞模型與其他模型的比較，重現(xiàn)宇宙的膨脹歷程。

這可能需要使用“宇宙計(jì)時(shí)器”——不斷演變的龐大宇宙天體，比如星系，通過(guò)觀測(cè)這些星系中的恒星群體并了解恒星類型并確定宇宙膨脹的速度隨時(shí)間的變化情況。觀察恒星群時(shí)，沒有短壽命的大型恒星就意味著其年齡更久遠(yuǎn)。然后，將這個(gè)年齡與星系光線在宇宙膨脹過(guò)程中傳播至我們這里時(shí)所經(jīng)歷的紅移值進(jìn)行比較，揭示宇宙在宇宙時(shí)間尺度上的膨脹歷史。解決哈勃張力帶來(lái)的困擾。該團(tuán)隊(duì)的研究由班尼克于 7 月 7 日（周一）在英國(guó)杜倫大學(xué)舉行的皇家天文學(xué)會(huì) 2025 年全國(guó)天文學(xué)會(huì)議上進(jìn)行展示。

BY:Robert Lea

FY: Jane

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自：

https://www.space.com/astronomy/the-sound-of-the-big-bang-hints-that-earth-may-sit-in-a-cosmic-void-2-billion-light-years-wide

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