大爆炸余晖提醒奥秘“超巨洞”:直径超10亿光年

宇宙微波配景辐射(CMB)，这是宇宙大爆炸时留下的余晖

正在太空任务的美国宇航局“威尔金森各向异性探测器”(WMAP)

　　新浪科技讯 北京时间8月25日消息，大概在10多年前，天文学家们在丈量宇宙温度的时候注意到一个有些奇怪的景象，那就是在天空中有一片宽度大概与20个满月相当的地区，这里的温度异样的低。

　　天文学家们所丈量的是弥漫全部宇宙的微波辐射，那是宇宙大爆炸时留下的余晖。对这种宇宙微波配景辐射(CMB)的观察让科学家们能够窥见宇宙诞生早期，年龄仅约40万年时的情景。

　　宇宙微波配景辐射在全部夜空简直平均地散布，各个偏向都是一样的，温度都是大概2.725K，仅比绝对零度高出一点点。但是借助美国宇航局先进的“威尔金森各向异性探测器”(WMAP)，天文学家们能够识别出这一温度配景上10万分之一的变化。这种细微的温度差异是宇宙诞生时量子泡沫涨落留下的产物，这种随机涨落能够帮助天文学家们理解宇宙的组成以及它的构成机制。

示意图：减速收缩的宇宙

　　宇宙微波配景辐射在全部夜空简直平均地散布，各个偏向都是一样的，温度都是大概2.725K，仅比绝对零度高出一点点

　　在全部这些温度配景的起伏中，就存在着一个寒冷的点。多年来，天文学家们提出了各种实践试图对此给出合理说明，从仪器误差到平行宇宙，不一而足。而当初，天文学家们将注意力集中到了此中的一种实践上：宇宙中存在一种宏大的空泛，被称作“宇宙超巨洞”，它们很可能是宇宙中最大的构造。

　　在这些空泛中简直不存在任何的恒星或星系。依据实践，如许宏大的空泛会在宇宙微波配景辐射中留下高温地区。因此对宇宙中的神秘高温区，其背后的答案或许仅仅就是宏大的空泛构造而已。但是，相关的故事还远远没有完结。

　　CMB中的异样高温区

　　在宇宙微波配景辐射(CMB)中，高温点还并非唯一让人感到奇怪的地方。科学家们还发现了其他一些异样之处。比如说，半个天空的CMB旌旗灯号似乎要比另外半个天空的旌旗灯号更强一些。标准的宇宙学实践无奈完整说明这些异样。但在全部这些异样中，异样高温地区的存在是最引人瞩目的。

　　对此，最简单的说明是以为这根本就不是什么异样情形，而只不外是CMB配景中随机呈现的温度散布而已。当你丢100次硬币，你总会有20次，30次或是50次机会是头像一面朝上的。因此，科学家们首先面对的一项挑战便是，他们必须判断，这一景象究竟只是随机因素的成果，还是确实有着背后的原因。对异样高温区而言，数据表明其可能只是随机事件的概率大概是1/200，——看来并非不可能，但这种可能性也十分小。

　　一些科学家提出这种异样情形可能是由于观察仪器的误差或是数据分析的不当方式招致的假像。但在2013年，来自欧洲普朗克卫星的探测数据确认了此前美国的观察成果，CMB中确实存在异样的高温地区，当初它须要得到说明。

　　现在占据主流地位的说明方案是所谓“宇宙超巨洞”(cosmic supervoid)实践。宇宙中全部的星系，恒星以及不可见的暗物资，全部都以一种类似蛛网的构造散布在空间之中，构成宏大的平面，扭结和条带。在这些构造之间便是被称作“巨洞”(voids)的宏大空旷地区。这些巨洞有着不同的形状和大小。而此中那些最为宏大的巨洞便会造成在CMB温度配景上呈现异样高温区的假象。

　　这一景象背后的原理是：当光芒穿过一个宏大的巨洞时会丧失能量，随着光波能量的耗散，其频率就会降低，光谱特征将向红端发生位移。和全部其他事物一样，光芒会受到引力场的影响，引力会对光子发生作用。但是在巨洞外部，由于这里物资的密度极低，也就意味着简直没有引力对光子发生影响。如许一来，对一个光子来说，穿过一个巨洞就像是翻越一座高山，而爬山是须要消耗能量的。

　　不外，光子能够将自己失去的能量再拿回来。一旦它们离开了巨洞，光芒就将再次被物资包围，它将再次感受到引力的作用，并补充它在此前丢失的能量。

　　宇宙的减速收缩会让光子丢失能量。在光子艰难穿梭巨洞的时候，全部宇宙正在减速收缩。而当光子通过巨洞之后，由于宇宙在此期间的减速收缩，此时的物资密度已经比它穿梭巨洞之前更低了，这也就意味着光子所能感受到的引力作用的强度将不如斯前，如斯，光子也就无奈完整恢复它在穿梭巨洞期间所丧失的能量。

　　物理学家们早在上世纪60年代就已经从实践上预言了这种景象的存在，但从未有人现实观察到这一景象。但是，在CMB异样高温区被发现之后，一些天文学家，如美国夏威夷大学的伊斯特凡·萨普迪(Istvan Szapudi)等人开始着手搜查这种景象真实存在的证据，即所谓“积分萨克斯-沃尔夫效应”(ISW effect)。2008年，他们真的找到了。

盘算显示的超巨洞的实践地位

　　奇异的超巨洞

　　萨普迪无奈分辨出单个的巨洞在CMB中留下的旌旗灯号，由于他没有让他能够如许做的数据。相反，他和他的团队从大概100个巨洞以及星系群的数据中利用统计学方法搜查整体层面上的ISW效应。与巨洞所发生的效果相反，星系群强大的引力会在CMB旌旗灯号中构成“热点”。研讨组在任务中找到了真正的ISW效应，其在CMB中发生了大概十万分之一开尔文，或10微开尔文(microkelvin)的温度变动。

　　相比CMB中异样高温区温度低于CMB平均温度约70微开尔文的情形，由ISW效应发生的影响显然要小得多。但这项研讨任务的主要目的是证实巨洞确实能够发生异样高温区。假如巨洞足够大，它是完整有可能发生如许程度的高温异样的。萨普迪表现：“假如高温区是CMB数据中最明显的异样，那么这很有可能就是存在一个超巨洞的旌旗灯号，这种构造在宇宙中是十分常见的。因此我以为咱们当初就应该着手对其展开搜查。”

　　他在2010年开展的首次搜查尝试终极以失败告终。这此中的原因之一可能就是由于数据十分有限，仅仅覆盖了异样高温区的少数几个点。不外，有意思的是，这项研讨成果同时也暗示，可能存在着一个规模惊人的超巨洞。

　　去年，他和他的团队再次进行尝试，这一次他们获得了比前一次多得多的数据，涵盖比前次多出200倍以上的天区面积，并覆盖了全部表现出高温异样的地区。有了如许涵盖数千星系的全面覆盖，初步研讨成果显示其符合一个真正巨洞存在时的实践预期。数据成果是清晰无误的。萨普迪表现：“咱们完整确定这就是一个巨洞。我甚至能够赌上我家的房子。”

　　假如这真的是一个巨洞，那么这将是一个真正的庞然大物——它的半径约2.2亿秒差距，折合约7亿光年，如许惊人的尺度也使其成为宇宙中现在已知最大的物理构造。

　　如斯宏大的巨洞并不常见，很有可能只有很少的几个。而如许一个宏大的空泛却正好与同样常见的CMB高温异样区相重合，很难以为这仅仅是一个偶合。而依据萨普迪的观点，更有可能的情形是，恰是这一巨洞构造招致了这一高温异样区的发生。事实上，依据他的盘算，这两者之间存在真实相互关系的可能性，相比仅仅是视线偏向上的惊人偶合要高出大概2万倍。

　　但他的一些同行们对此依然还存有疑虑，如西班牙坎塔布里亚大学的天文学家佩特西罗·维尔瓦(Patricio Vielva)。维尔瓦曾经在2004年领导一个研讨组最先发现了CMB旌旗灯号中的异样高温区。在他看来，巨洞的常见性依然尚无定论。而假如终极能够证实在宇宙中如许的巨洞是广泛存在的，那么一个超巨洞的地位恰好与CMB中高温异样区的地位相重叠是由于视线偏向重合所招致成果的可能性就会大大升高，或许这种重合仅仅就是一个简单的偶合而已。恰是出于这一原因，研讨人员现在急切地须要得到更多的数据来判断宇宙中如许的超巨洞究竟有多么常见。维尔瓦表现：“在现在的阶段，我以为做这件事是最为重要的。”

有没有可能咱们的宇宙中充满着“纹形”或缺点

当穿梭巨洞时，光芒会丧失能量

宇宙微波配景辐射(CMB)的发生进程示意图

　　“还不够冷”！

　　但是前面还有一个更大的问题，那就是超巨洞似乎无奈在CMB中招致如许大的温度异样。如许大的超巨洞大概只能在CMB中构成低于平均温度20微开尔文左右的高温异样地区，而现实是，观察到的CMB中高温异样幅度达到了70微开尔文左右，在部分地区，如许的异样甚至高达140微开尔文。

　　对此，一种可能的说明是，这个超巨洞的规模可能比科学家们此前测定的更加宏大。假如这一情形属实，那么其发生的ISW效应将会更加强大。而考虑到萨普迪测定数据的不确定性，这个超巨洞的半径最大可能达到2.7亿秒差距。但即便如斯，依据维尔瓦的盘算，如许的一个超巨洞构造将依然不足以发生科学家们在CMB旌旗灯号中所观察到的那种幅度的高温异样。

　　事实上，依据现在的宇宙学实践模型，咱们的宇宙根本就不可能构成足以发生如斯幅度高温异样的超巨洞构造。维尔瓦表现：“问题就在于，你想要用来说明这一景象的那种超巨洞，它根本就不存在。”

　　可是，假如这种高温异样不是由于巨洞造成的，那还会是什么？维尔瓦以为，或许这与所谓“宇宙纹形”(cosmic texture)有关，高温异样区可能是宇宙中的一种拓扑缺点(topological defect)。这就有点像水冰外部的裂隙或构造缺点：当水结冰时，液态的水转变为固态的冰。而随着早期宇宙的演化，这些宇宙中的构造地区也经历了类似的相变进程。在水冰凝固的进程中，当水分子未能完美排列时就会呈现外部的构造缺点。而在宇宙中，则可能呈现纹形，这也是一种缺点。在2007年，维尔瓦帮助证实了，假如纹形确实存在，那么它就能够经由ISW效应而发生符合观察幅度的高温异样区。

　　但“纹形”的概念依然还只是一种实践猜测，没有任何现实观察证据能够证实其确实存在。瑞恩·冯-魏格特(Rien van de Weijgaert)是荷兰格丁根大学的一名天文学家，他表现：“纹形是一个十分漂亮的主意，但咱们缺乏证据来证实它是否真实存在。”

　　冯-魏格特指出，对大多数天文学家而言，一个超巨洞的主意依然是现在的最佳说明。他说：“到现在为止，这一主意依然被视作是最令人信服的实践之一。只是在它能够发生的高温异样幅度方面可能还存在一些疑虑，但并没有到完整脱离现实的地步。”

　　对此，维尔瓦也承认，超巨洞的主意十分吸引人，但在此之前，其无奈在足够大的幅度上发生高温异样的问题必须得到解决。

　　当初，科学家们须要更多的数据。举例来说，假如能有更多的数据，天文学家们就将能够获得有关超巨洞大小和性质的更精确丈量。他们也将有望判定在前景偏向上是否还存在稍小一些的巨洞，由于假如情形果真如斯，它也将帮助增加CMB中异样高温区的降温幅度。再或者，也许情形是如许的：CMB中之所以会呈现高温幅度如斯之大的异样地区，是由于其原本就存在一些温度稍稍低于周围的地区，然后在如许一个地区上又叠加了一个超巨洞发生的高温效果。

　　不外，尽管有如许那样的实践观点分歧，物理学家们还不至于晚上睡不着觉。正如英国杜伦大学天体物理学家卡洛斯·弗兰克(Carlos Frenk)所言：“到现在为止，由于不确定性太大，你还不必要到晚上失眠的地步。”但就他个人而言，他表现自己的直觉是，随着越来越多数据的获得以及进一步分析任务的进行，超巨洞模型的实践终极将会被确认是正确的。他说：“很有可能这个实践终极会被证实是正确的。”

　　假如情形果真如斯，那么这种CMB中的高温异样区将会成为对超巨洞这种天体的首次观察丈量任务，这种宇宙构造经由ISW效应在CMB旌旗灯号中留下了自己的痕迹。这项任务十分重要，光是想到超巨洞惊人的规模便已经令人惊讶不已。但这种庞然大物的重要性还不限于此，正如萨普迪所言：“咱们将拥有研讨暗能量的崭新途径，要知道暗能量是宇宙中最诡异的存在。”

　　之所以会发生ISW效应，完整是由于咱们的宇宙正在减速收缩，而推动宇宙如许减速收缩的原动力则恰是这种神秘的暗能量。通过对超巨洞引发ISW效应的研讨，科学家们将能够探查暗能量在此中施加的影响，从而加深咱们对其行为模式以及本质的理解。

　　但就现在的情形而言，关于CMB中异样高温区的谜题依然存在着。正如弗兰克所言：“咱们只是不知道这故事的结局，没有任何人知道。”(晨风)

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/s/2015-08-25/doc-ifxhcvsc4349918.shtml

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