宇宙中最大的結構：或許能解答“冷點”之謎

新浪科技訊 北京時間7月28日消息，據國外媒體報導，十多年前，天文學家在測算宇宙溫度的時候發現了一些不同尋常的東西。他們發現，天空中有一片區域——跨度約為20個月亮的寬度——的溫度特別低。

當時，天文學家正在對宇宙中無處不在的微波背景輻射進行測量。宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background，CMB)是大爆炸事件的殘留，生於大爆炸之后不到40萬年的時候，通過對其進行測量，可以了解原始宇宙的狀態。

微波背景輻射覆蓋整個天空，而且所有地方的輻射似乎都差不多，溫度也都很低，只有2.725開氏度(K)，僅比對零度高一點。不過，利用剛發射不久的威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)，天文學家能探測到十萬分之一開氏度的極細微溫度變化。而通過測量宇宙大爆炸之后極短時間內的隨機溫度變化，可以幫助天文學家更深入地了解宇宙的組成和未來的走向。

從這些溫度變動數據的分析中，可以明顯看到一個“冷點”(cold spot)的存在。多年以來，天文學家提出了各種各樣的理論來解釋它，包括儀器誤差、平行宇宙等等。現在，他們回到了最初的推斷：存在一個超級宇宙空洞，其範圍之大，很可能是宇宙中最為巨大的結構。

根據這一理論，這樣一個巨大空洞——裏面不存在任何恆星或星系——能夠保留下宇宙微波背景輻射的印記。謎題依然存在，而且還遠沒有解決。

冷點如何生

冷點並非宇宙微波背景輻射中最古怪的東西。科學家已經發現了其他一些異常現象，如一半天空的輻射信號似乎比另一半要強。宇宙學標準理論曾對微波背景輻射的細節進行了預言，但也無法完全解釋這些異常，而冷點是其中最為突出的。

對這些異常現象最簡單的解釋是將它們視為僥倖發生的事件。當你扔一百次硬幣時，有20、30甚至50次會看到人的頭像朝上。科學家的挑戰在於，找出這些異常現象是因為運氣，還是因為硬幣的其中一面更重。對於冷點，數據顯示其僥倖發生的概率僅有1/200。因此，僥倖並非不可能發生，但概率很小。

一些科學家提出，冷點是由於儀器的誤差導致的，或者是因為數據分析的方式有誤。但是，2013年普朗克衛星的觀測證實了之前對冷點的探測結果。顯然，這意味需要有一個理論來進行解釋。

目前獲得最多支持的假認為，這是一個宇宙超級空洞。宇宙中的所有物質——各個星系和看不見的暗物質——以巨大的網狀形式在空間中伸展開來，這個網由各種片層、捲鬚和細絲構成。網中間空虛的部分被稱為“空洞”(void)，形狀和大小各不相同。大型的空洞具有類似某種扭曲稜鏡的作用，使宇宙微波背景輻射看起來比真實溫度更低。

這種作用的原理是：當光經過空洞時會損失能量，而且頻率會降低，即轉移到光譜中更紅的一端。與大多數事物一樣，光很容易受到引力的影響，后者在光的傳播過程中能一直對光子施以作用。然而，在空洞內部，物質的缺乏導致光几乎不會受到任何引力的影響。對光子來，穿越空洞就如同爬上一座高山，而爬山是要耗費能量的。

不過，光子可以重新獲得這些能量。一旦光子穿過空洞，其周圍再次充滿了物質，在引力的牽引下，光子又重新充滿了能量。

要使光子失去能量，你需要一個不斷擴張的宇宙。在光子穿行於空洞內部時，宇宙也在越來越快地進行膨脹。當光子離開空洞的時候，由於宇宙膨脹，所有的物質變得更加稀薄；而由於物質的分佈越來越分散，生的引力效應就不像原來那麼強。這些引力無法像原來一樣將光子牽引起來，它也就無法恢復到原先的能量狀態。

物理學家在20世紀60年代末期提出了這一現象，但至今還沒有確實觀測的證據。不過，在冷點被觀測到之后，許多天文學家，如夏威夷大學的Istvan Szapudi等人就開始尋找這一現象，即薩克斯·瓦福效應(integrated Sachs-Wolfe，ISW)的證據。2008年，他有了發現。

令人驚嘆的超級空洞

由於缺乏數據，Szapudi還無法鑒別出在微波背景輻射中留下印記的單個空洞。相反地，他和同事在100個空洞和星系團的統計分析中，搜尋所有ISW效應的證據。其中，星系團的引力形成了加熱效應，並在宇宙微波背景輻射中留下了“熱點”。研究者發現了一個真實的ISW效應，它使宇宙微波背景輻射出現了平均約十萬分之一開氏度，即10 microkelvin的溫度變化。

與比宇宙微波背景輻射平均低70 microkelvin的冷點相比，ISW效應顯然小很多。不過，尋找ISW效應的意義在於表明空洞能生冷點。如果一個空洞足夠大，那它就應該具備形成冷點的能力。“如果這個冷點是宇宙微波背景輻射中最大的異常，那它就很可能是一個巨大空洞的標誌——宇宙中一個極其罕見的空洞，” Szapudi，“因此，我認為我們現在就應該去尋找它。”

Szapudi的第一次嘗試是在2010年，結果徒勞無功。由於數據有限，只能覆蓋冷點內很小的一部分。有趣的是，這些結果顯示在距離地球不到30億光年的地方，可能存在一個空洞。

2014年，Szapudi和他的團隊進行了再一次嘗試。這一次他們獲得了大量的數據，覆蓋了比上一次多200倍的天空面積，並包含了整個冷點。如此龐大的覆蓋範圍——包括數以千計的星系——整合出了一個“誠意十足”的空洞。這些數據是毫不含糊的。“我們很肯定那裏存在一個空洞，” Szapudi，“我能以我的房子擔保。”

而且，這個空洞是巨大的。它的半徑是220百萬秒差距(220 megaparsecs)，超過7億光年，這使它成為宇宙中最大(不是最大也是最大之一)的物理結構。

Szapudi稱，如此巨大的空洞是很不尋常的，宇宙中存在的類似結構可能屈指可數。而且，如此罕見的空洞與冷點——本身就很罕見——重疊，似乎並不僅僅是巧合。Szapudi認為，更有可能的是，正是空洞導致了冷點的形成。事實上，Szapudi計算的結果顯示，空洞導致冷點形成的概率是二者剛好一塊出現的兩萬倍。

其他科學家並沒有這麼肯定，如西班牙坎塔布裏亞大學的Patricio Vielva。這位在2004年領導發現了冷點的科學家認為，空洞的稀有性仍然存在疑問。如果發現類似的空洞其實廣泛存在，那它與冷點的組合就不會如此令人驚奇了。

或許這僅僅是個巧合，這也是科學家需要更多數據來判斷超級空洞有多罕見的原因。“現在，我認為最重要的一件事是建設，” Patricio Vielva道。

還不夠冷

事實上，還存在一個更大的問題。

超級空洞無法使微波背景輻射變得足夠冷。盡管體積如此巨大，但這樣的空洞只能使微波背景輻射冷卻20 microkelvin。然而，冷點的溫度平均比微波背景輻射低了70 microkelvin。在一些區域，溫度的降幅甚至達到140 microkelvin。

這種差異的一個可能原因是，空洞實際上比測量的結果還要巨大。如果真是這樣，那麼它的ISW效應就會更強。基於Szapudi等人測量結果的不確定性，空洞的半徑可能會延伸到270百萬秒差距。Vielva稱，即便如此，這個空洞也不足以導致冷點的生。

事實上，根據現有的宇宙學理論，宇宙甚至可能無法形成足夠大的空洞。“問題在於，這種效應所需的空洞其實是不存在的，” Vielva道。

如果不是一個空洞，那又會是什麼呢？Vielva稱，冷點或許源自宇宙紋理(cosmological texture)——宇宙的一種缺陷，如同冰塊的裂縫或斑點。在早期的演化中，宇宙經歷了一個相轉化的過程，類似於水從液態凝結成固態冰的過程。在冰塊中，你會發現由於水分子沒有排列好導致的裂縫。在宇宙中也存在類似的紋理。2007年，Vielva參與的研究發現，如果一個紋理存在，它可能會通過ISW效應生出冷點。

不過，宇宙紋理依然只是理論上的概念，沒有任何證據顯示它們真的存在。荷蘭格羅寧根大學的天文學家Rien van de Weijgaert ：“紋理是一個很不錯的想法，但我們還沒有線索來證明它們是否真的存在。”

van de Weijgaert稱，對大多數天文學家來，超級空洞依然是最好的解釋。“到目前為止，它還是被視為最可信的選項之一，”他，“對於它生的效應大小你可以有疑問，但它並非完全不可信。”當然，空洞假確實很有趣，但溫度的矛盾需要首先解決。

更多的數據將會為天文學家提供幫助。例如，更多的觀測將使天文學家獲得更多有關空洞體積和性質的準確數據。他們也可能在超級空洞前方發現一個更小的空洞，能進一步使微波背景輻射降溫。或許，冷點之所以如此寒冷，只是因為超級空洞剛好處於一個原本微波背景輻射溫度就較低的區域。

即使目前還無法獲得更多的數據，我們也不必苦惱。英國達勒姆大學的天體物理學家Carlos Frenk：“在現在這個點上，由於不確定性過於巨大，我們不應該為此犧牲太多睡眠。”他的直覺是，有了更多的數據和分析，超級空洞將最終成為正確的答案。

如果真是如此，那冷點將成為代表一個物體——超級空洞——通過ISW效應留在微波背景輻射上的印記。這一設想非常重要，部分是因為超級空洞本身就非常巨大。超級空洞的重要性可能還體現在另一方面，Szapudi：“我們有了另一個研究暗能量的方式，而暗能量是宇宙中最奇異的東西。”

ISW效應的發生，源於宇宙膨脹的速度越來越快，而推動宇宙膨脹的神秘力量正是暗能量。通過測量超級空洞的ISW效應，天文學家便能探測暗能量的影響，並更好地理解暗能量的本質。

不過，就目前而言，關於冷點謎題的求解還在繼續。“我們並不知道故事的結局是什麼，” Carlos Frenk，“我想沒有任何人知道。”(任天)