我們生活在一個宇宙空間如此空曠，以至於它打破了宇宙學的定律。最新證據表明，我們的銀河系位於一個20億光年寬的空無之境的中心。如果是這樣，我們可能需要重新思考對宇宙的理解。
你有沒有覺得自己被困在一個洞裡？你確實被困住了。天文學家稱之為「局部空洞」，但這完全是個低估。它是巨大的，龐大的，極其巨大的——雖然事實上，當我們談到這片空曠之境時，形容詞都無法描述。這是我們所知的最大宇宙空曠，橫跨20億光年。我們的銀河系恰好位於其附近，但這個洞的問題不在於它構成了一個近距離的危險——更多的是它根本不應該存在。
也就是說，如果我們關於宇宙的最堅定信念之一是真實的話。這個假設被稱為宇宙學原理，它認為宇宙的物質應該在最大尺度上均勻分布。這是現代宇宙學的基石。如果這個空洞是真實存在的，那麼這塊石頭可能正在瓦解。
因此，很少有人敢相信這個空洞可能是真實存在的。但近年來，證據越來越多，天文學家們已經從懷疑轉向勉強接受。他們還發現了其他類似巨大的結構。因此，現在的問題越來越迫切：如果我們真的生活在一個空洞中，我們是否需要大幅修改我們對宇宙的模型？這可能涉及重新思考重力、暗物質的性質，或者兩者兼而有之。
認為宇宙在各個方面都具有相同特徵的觀念至少可以追溯到艾薩克·牛頓。他認為，星球和行星的運動可以通過一個普遍適用的引力定律來解釋……在每個地方都是相同的。今天，類似的想法適用於物質的分布。宇宙學原理指出，宇宙應該是各向同性和均勻的，這意味著它的較大尺度組成在每個方向上看起來都應該是相同的，無論你從哪個方向觀察。
這樣做是有道理的。大爆炸後，物質會被包含在一個極度密集的球體中，然後在我們稱之為膨脹的時期內膨脹。這個非常快速的膨脹時期會使物質的密度變得均勻，最終導致一個星系均勻分布的宇宙。
宇宙學標準模型
今天，這些想法已經融入了宇宙學的標準模型，這是我們對宇宙是如何增長和成形的極為成功的解釋。除了宇宙學原理之外，這個模型還包括這樣一個假設，即宇宙主要由未知的暗能量和暗物質組成，前者通過與宇宙持續膨脹有關的力來發揮作用，後者是一種只通過與其他物質引力作用的未知物質。基於這一點，該模型完美地解釋了宇宙的關鍵特徵，包括宇宙誕生的頭幾分鐘內產生的氦和氘的量以及來自大爆炸餘輝的光模式，即所謂的宇宙微波背景。
但是想像宇宙就像是粗糙的花生醬，而不是平滑的品種。這是因為宇宙學原理在統計上是成立的，這意味著宇宙在平均上是平滑的，但是一些團簇和間隙並不是完全禁止的，只要它們不太常見。此外，我們預計重力會將物質聚集成大型結構，但在宇宙的年齡考慮之下，只能達到一個極限。在這種普遍均勻性內部的奇點可能會出現，但它們應該是罕見的。「你可以計算出這些結構的概率，可能會非常低——但不是零，」耶魯大學的天體物理學家普里亞姆瓦達·納塔拉讓說。底線是，我們不希望看到比約12億光年更寬的空洞或結構。
我們所處的宇宙空間第一次跡象是在1990年，當時英國達勒姆大學的托馬斯·尚克斯及其同事們研究了我們的宇宙地區的一項調查，該調查由光學照片組成，並計算了星系的數量。他們發現的星系比他們預期的要少。1997年，一個天文學家小組根據紅外圖像對同一地區的星系進行了計數，並發現了相同的情況。
2013年，三位研究人員——台灣中央研究院天文與天文物理研究所的瑞安·基南、威斯康星大學麥迪遜分校的艾米·巴格和夏威夷大學的倫諾克斯·科維——再次使用先進的紅外調查進行了研究。他們發現了相同低星系密度，而且至關重要的是，他們繪製出了這個空洞的結構。「很明顯，存在一個局部低密度，」科維說。這三人發現，我們生活在一個寬2億光年的空間中，其密度比平均值低約20%。
這個區域現在被稱為局部空洞或KBC空洞，取其發現者的首字母。但是，人們仍然對它是否真的像看起來那樣空無一物存在一些疑慮。畢竟，那裡有許多不發出可見或紅外光的東西，所以可能被忽視了。
然而，後來使用了我們手頭上大多數觀測工具對這個空洞進行了繪製，包括一項在2020年的研究，該研究觀察了X射線的發射，並得出結論，該空洞的密度低於宇宙平均水平。「觀測證據非常強」，尚克斯說。「計算星係數量是一種簡單可靠的技術。」
這使得宇宙學家頭痛不已。如果宇宙不像我們一直以為的那樣各向同性和均勻，那該怎麼辦？「發現它並非如此可能會迫使宇宙學改變事物，」科維說。
他不認為KBC空洞的存在本身足以引發恐慌。但還有其他問題。2019年，英國中央蘭開夏大學的阿萊克西亞·洛佩斯正在嘗試使用斯隆數字天空調查的圖像分析新方法，該調查正在繪製廣闊的天空範圍。她的工作利用了被稱為類星體的極度明亮物體照亮較暗物質的能力。在2021年的一篇論文中，她透露她發現了一條長達33億光年的星系弧。這只是近年來發現的幾個令人驚嘆的巨大結構之一。
哈勃張力
過大的空洞和結構並不是宇宙學標準模型面臨的唯一問題。還有哈勃張力。我們知道，宇宙正在以越來越快的速度膨脹，這由一個稱為哈勃常數的數字給出。問題在於，關於這種膨脹速率的各種測量結果不一致。當我們在大尺度上測量時，這個數字大約比我們根據附近星系的測量得出的數字低10%。換句話說，我們所處的宇宙局部區域似乎比其他地方膨脹得更快。就在上周，出現了可能有助於緩解這一緊張局勢的新結果，但在天文學家中仍存在爭議。
除此之外，還有「整體流動」的問題，這指的是星系流動的方式。去年，夏威夷大學的天文學家布倫特·塔利及其同事們觀察到了KBC空洞中的這些流動，並發現它們的速度是宇宙學標準模型預測的四倍。「這些測量結果與哈勃張力爭議相結合，表明標準模型[宇宙學]存在真正的問題，」塔利說。
他並不是唯一一個持這種觀點的人。英國聖安德魯斯大學的研究員、曾研究過KBC空洞的因德拉尼爾·巴尼克說，哈勃張力、整體流動問題和空洞共同造成了宇宙學的危機。他說，在堅持標準模型的情況下是「不可能」的去解決這個問題，所以是時候尋找其他解決方案了。
這個解決方案必須實際上涉及一種機制，使得結構可以比我們通常預期的更快地形成。實際上只有兩種選擇。要麼你提出一個對引力強度的微調，要麼你調整暗物質的性質以及它如何通過引力作用。
巴尼克和他的同事最近探討了第一種選項，修改了一個被稱為修正牛頓動力學(MOND)的舊觀念，該觀念認為，在非常大的距離上，重力比正常情況下強。他們計算了MOND如何影響我們的局部環境，假設我們生活在一個比宇宙平均值少20%的空洞中。
研究人員發現，這將自然地導致局部宇宙膨脹得更快，因為物質，包括用於測量哈勃膨脹的超新星和星系，將不斷流出該地區——被引力吸引到空洞外更豐富的物質。因此，生活在一個空洞中最終會使本地測量的宇宙膨脹速度增加。這個模型也符合最新的整體流動數據。對於洛佩斯來說，這些結果是有趣的，因為它們可能還能解釋她發現的巨大結構。「跟隨數據是好的科學，」她說。
然而，MOND是一個極具爭議性的假設，因為它摒棄了暗物質，這個觀念在觀測中得到了很好的支持。即使巴尼克也強調，他不認為自己的工作是這場危機的解決方案。他說，這表明對標準宇宙模型的一些微調可能會導致結構更快地形成。巴尼克認為，MOND的一種不太干預的版本可能會起作用，其中廣義相對論的定律在百萬光年以上的尺度上微調，使得引力在這些尺度上稍微加強，但不至於影響標準模型中的其他任何東西，包括暗物質。他指出，引力的強度尚未在那些尺度上得到測試。
如果他關於引力需要微調的看法是錯誤的，那麼也許空洞可以通過對暗物質進行調整來解釋。標準宇宙模型假設暗物質是「冷」的，意味著它移動緩慢，幾乎不與正常物質或光發生作用，除了通過引力。該模型還表明，宇宙結構是分級增長的，小的物體組合成更大的物體。但一些宇宙學家認為，暗物質可能實際上是「熱」的，接近光速運動。在這種情況下，暗物質將由幾乎無質量的粒子組成，例如中微子，而結構將從巨型實體開始形成，然後分解成諸如星系等較小的物體。這與巨大結構的存在以及KBC空洞更相符，但與其他觀測結果相差甚遠。或者暗物質可能通過未知的第五種自然力與其他物質發生相互作用。「你可能可以想出一些暗物質相互作用的方法，或者與其它物質的相互作用，這些方法會增加結構的形成，」英國樸茨茅斯大學的宇宙學家哈里·德斯蒙德說。
還有更奇特的想法。一種瘋狂的選擇——儘管在標準宇宙模型中是允許的——是宇宙弦。這些假設的細絲比質子還要細，但長度可達數十億光年。洛佩斯提出這樣的想法，即這些弦可能起到一種額外的引力吸引作用。巴尼克說，這不太可能是解決方案，因為即使這些弦存在，它們也會很少見。
因此，解決空洞的問題並不容易。納塔拉讓說，我們現有的宇宙學模型「極難被證偽」。對一個方面進行微小調整可能會在其他地方引發意想不到的問題。雖然改變暗物質的性質可能解釋空洞的存在，「但我不知道加速結構形成會對恆星形成、星系形成或黑洞形成產生什麼影響，」她說。
對此，尚克斯猜想，空洞是否實際上比我們意識到的更普遍。我們關於宇宙結構的大多數數據都是基於明亮星系的——這是當然的，因為這是我們最容易看到的。然而，不太可見的物質可能聚集得非常不同，也許使大尺度結構或巨大空洞比我們意識到的更常見。如果是這樣，KBC空洞就不會是個例外。
但是，假設我們的空洞和我們認為的一樣罕見——那將是一件相當特別的事情。在過去的一個世紀裡，我們對宇宙的探索一次又一次地告訴我們一個教訓：我們並不特別。地球是無數行星中的一個，繞著無數星系中的一個恆星運行——甚至可能存在於無數宇宙中的一個。發現KBC空洞指向了相反的方向；它使我們變得不尋常。如果我們生活在一個洞裡，也許這種想法比聽起來更特別。
